PL249431B1 - Przepływowy silnik cieplny wewnętrznie kondensacyjny - Google Patents

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia przedstawionym na rysunku jest turbina parowa wewnętrznie kondensacyjna zbudowana z rurki wirowej, posiadająca elementy klasycznej rurki wirowej to jest: króciec wlotowy czynnika roboczego, komorę zawirowania czynnika roboczego, korpus rurki wirowej, w której następuje separacja czynnika roboczego na strumień zimny i gorący, wyjście zimnego strumienia czynnika roboczego, wyjście gorącego strumienia czynnika roboczego oraz korpus rurki wirowej w celu stabilizacji osadzony jest na łożyskach, które to przytwierdzone są do podstawy, zapewniając tym samym możliwość obrotu korpusu rurki wirowej i zaworu stożkowego zintegrowanego z korpusem rurki wirowej, na ujściu ciepłego strumienia wyjściowego, równocześnie korpus rurki wirowej przylega do komory zawirowania, gdzie na styku obu elementów występuje uszczelka uszczelniająca wnętrze przedmiotowej rurki wirowej od zewnętrza zapewniając równocześnie możliwość swobodnego obrotu korpusu rurki wirowej wzdłuż jej poziomej osi, charakteryzuje się tym, że średnica wewnętrznej przestrzeni korpusu rurki rośnie wraz ze wzrostem odległości od komory zawirowania w kierunku ujścia gorącego strumienia czynnika roboczego, jednocześnie w wewnętrznych ścianach korpusu rurki wycięte są kanały poprzeczne wzdłuż całej długości wewnętrznych ścian korpusu rurki, zakończone ujściem na zewnątrz korpusu rurki, znajdującym się przed ujściem gorącego strumienia czynnika roboczego, przy czym oba wyjścia są fizycznie od siebie odseparowane.

Description

Opis wynalazku

Znane jest urządzenie rurka wirowa (ang. vortex tube) opracowane w 1931 r. przez francuskiego fizyka Georges Ranque'a. Znane są również liczne modyfikacje pierwotnej konstrukcji wprowadzone przede wszystkim przez Paula Diraca w 1934 oraz Rudolfa Hilscha w 1947 r., jak również w czasach współczesnych.

We wszystkich powyższych konstrukcjach korpus rurki (5), w której zachodzi separacja na strumień ciepły i zimny czynnika roboczego jest na stałe przytwierdzony do korpusu komory (3), w którym następuje zawirowanie czynnika roboczego.

Znane jest urządzenie z patentu P.441496, innowacją w tym przypadku jest to, że korpus rurki (5) nie jest na stałe przytwierdzona do korpusu komory (3), co powoduje, że korpus rurki (5) samoczynnie będzie się obracać wokół własnej osi podłużnej wskutek tarcia czynnika roboczego o wewnętrzne ścianki rurki (5).

Dzięki tej innowacji uzyskujemy:

• polepszenie parametrów procesu separacji czynnika roboczego na ciepły i zimny strumień poprzez zmniejszenie tarcia wewnętrznego czynnika roboczego wewnątrz korpusu rurki (5);

• możliwość łatwiejszego usuwania z wnętrza korpusu rurki (5) skroplin czynnika roboczego na wskutek działania siły odśrodkowej obracającego się korpusu rurki (5) oraz sił lepkości, dzięki czemu skropliny czynnika roboczego przylegają do wewnętrznych ścianek korpusu rurki (5);

• możliwość wykorzystania ruchu obrotowego korpusu rurki (5) do wytwarzania energii mechanicznej a tym samym poprzez odpowiednie urządzenia pośrednie również wytwarzania prądu elektrycznego.

Przedmiot wynalazku ujawnionego w patencie w przykładzie najprostszego wykonania, jest uwidoczniony na rysunku 1 oznaczonym jako stan techniki. Rurka wirowa (1) przytwierdzona jest do podstawy (8) zespolonej na stałe z korpusem komory (3) zawirowania czynnika roboczego, przy czym rurka (5), w której odbywa się separacja czynnika na strumień ciepły i zimny, osadzona jest na podstawie (8) za pośrednictwem łożysk (9), natomiast do korpusu komory (3) korpus rurki (5) przylega za pośrednictwem uszczelki (10). Tak osadzony korpus rurki (5) ma możliwość swobodnego obracania się pod wpływem siły tarcia czynnika roboczego o wewnętrzne ścianki korpusu rurki (5). Pozostałe elementy przedmiotowej rurki wirowej jak króciec wlotowy (2) czynnika roboczego, komora zawirowania (3) czynnika roboczego, wyjście (4) zimnego strumienia czynnika roboczego, zawór wyjściowy (6) gorącego strumienia czynnika roboczego oraz wyjście (7) gorącego strumienia czynnika roboczego są realizowane tak jak w klasycznych urządzeniach rurek wirowych.

Przedmiotem niniejszego wynalazku na przykładzie najprostszego wykonania uwidoczniony na rysunku 2 jest przepływowy silnik cieplny wewnętrznie kondensacyjny działający na podstawie urządzenia ujawnionego w patencie R441496 z tym, że korpus (5) silnika wykonany jest w taki sposób, że w przekroju podłużnym odległość pomiędzy wewnętrznymi ścianami (16) korpusu (5) - liczona jako średnica przekroju poprzecznego - rośnie w kierunku od komory zawirowania (3) do wyjścia (7) gorącego strumienia czynnika roboczego. W przykładzie najprostszego wykonania, na rysunku 2 wzrost odległości między ścianami wewnętrznymi korpusu rurki (16), liczone jako przekrój poprzeczny, w zależności od odległości od komory zawirowania (3) jest funkcją liniową jednak możliwe są inne rozwiązania - tu kluczowe jest aby odległość między ścianami wewnętrznymi, liczona jako średnica przekroju poprzecznego, rosła jako funkcja odległości od komory zawirowania (3).

W wewnętrznych ściankach korpusu silnika wycięte są kanały (12), do których skropliny czynnika roboczego ściekają po ściankach a dzięki sile odśrodkowej i nachyleniu wewnętrznych ścian w kierunku wyjścia gorącego czynnika roboczego, skropliny kierowane są do ujścia skroplin (15) i usuwane poza urządzenie bez kontaktu z gorącym strumieniem czynnika roboczego skupiającym się przy wyjściu (7). Rozwiązanie to całkowicie separuje przepływ skroplin od gorącego strumienia roboczego i zapobiega odparowywaniu skroplin tak jak to miało miejsce w rozwiązaniu z patentu R441496.

Na wewnętrznych ściankach korpusu występować mogą trójkątne (13), trapezowe bądź prostokątne wypustki w formie pierścieni, których zadaniem jest zwiększenie powierzchni tarcia pomiędzy czynnikiem roboczym a wewnętrzną powierzchnią ścianek korpusu, co zwiększa efektywność przekazywania energii mechanicznej z wiru czynnika roboczego na obracający się korpus silnika oraz kanalizuje skropliny w zagłębieniach wypustek. Zastosowanie wypustek w formie pierścieni w stożkowym zaworze wyjściowym gorącego strumienia czynnika roboczego powoduje skraplanie się czynnika roboczego i przyleganie skroplin do wypustek a z uwagi na ruch obrotowy zaworu skropliny wyrzucane są w kierunku ścianek wewnętrznych, gdzie poprzez kanały usuwane są z silnika ujściem (15). Kształt i rozmiar wypustek (13) na wewnętrznych ścianach (16) korpus rurki (5) uzależniony jest od czynnika roboczego i jego parametrów oraz ich miejsca usytuowania w korpusie rurki (5).

Zasada działania wynalazku na przykładzie najprostszego wykonania polega na tym, że czynnik roboczy (zawilgocone sprężone powietrze, sprężona para wodna, sprężony propan, butan i inne tego typu czynniki robocze), poprzez wejście (2) jest zawirowywanie w komorze (3) dzięki czemu tworzą się w rurce (5) dwa niezależne przepływy wirowe: ciepły wir w obszarze przyległym do zewnętrznych ścian rurki (5) podążający w kierunku ujścia (7) oraz zimny wir zlokalizowany w obszarze podłużnej osi symetrii rurki (5) podążający w kierunku ujścia (4) przeciwbieżny do ciepłego wiru. Innymi słowy następuje konwersja sprężonego czynnika roboczego na strumień zimny i gorący uchodzące po przeciwnych stronach rurki wirowej (5).

Przepływowy silnik cieplny wewnętrznie kondensacyjny działa na powyższej zasadzie z tym, że czynnik roboczy wirujący wewnątrz korpusu (11) w obszarze ścian wewnętrznych wskutek tarcia przekazuje energię mechaniczną i powoduje obracanie korpusu, jednocześnie powoduje skraplanie się czynnika roboczego, a skropliny dzięki sile lepkości przylegają do ścianek wewnętrznych (16) korpusu (11), spływając do kanałów (12) a dzięki sile odśrodkowej samoczynnie usuwane są z silnika ujściem skroplin (15), odseparowanym od ujścia (7) gorącego strumienia czynnika roboczego. Wypustki (13) mają za zadanie zwiększyć powierzchnię tarcia pomiędzy czynnikiem roboczym a korpusem rurki (5), jednocześnie kanalizując skropliny w zagłębieniach wypustek dzięki sile odśrodkowej obracającego się korpusu, kierując skropliny do kanałów (12) i ostatecznie do ujścia skroplin (15), co zostało uwidocznione w przekroju poprzecznym (14). Liczba i parametry kanałów (szerokość, głębokość) oraz ostateczny kształt zależy tylko i wyłącznie od parametrów i rodzaju zastosowanego czynnika roboczego oraz możliwości technicznych wykonania silnika. Układ poprzeczny, pierścieniowy wypustek (13) na wewnętrznych ścianach korpusu rurki (5) gwarantuje również minimalne zaburzenia ruchu wirowego wewnątrz korpusu (11) czynnika roboczego.

Kondensacja czynnika roboczego w rurce wirowej bardzo intensywnie odbywa się w okolicy zaworu stożkowego wyjściowego (6), gdzie część ciepłego strumienia wirowego jest zawracana i przekierowywana do przeciwbieżnego zimnego strumienia wirowego. Dzięki temu, że zawór stożkowy jest zintegrowany z rurką (5) również się obraca, skropliny w wyniku kondensacji i siłom lepkości przywierają początkowo do zaworu stożkowego (6), a gdy osiągną odpowiednią wielkość odrywają się i przemieszczają się w kierunku ścianek wewnętrznych rurki (5), a następnie poprzez kanały (12) usuwane są z silnika. Zastosowanie wypustek na tym elemencie również korzystnie wpływa na sprawność urządzenia.

Kluczowym elementem przepływowego silnika cieplnego wewnętrznie kondensacyjnego jest fakt, że czynnik roboczy skrapla się wewnątrz urządzenia a energia skraplania przekazywana jest do wirującego wewnątrz korpusu (11) czynnika roboczego zwiększając tym samym ogólną sprawność wytwarzania energii mechanicznej przez sam silnik przy jednoczesnym odseparowaniu skroplin od wirującego czynnika roboczego oraz transportu skroplin na zewnątrz silnika korzystając tylko i wyłącznie z kształtu komory silnika (11) oraz sił lepkości i odśrodkowej występującej podczas jego pracy.

Opis rysunku 1

1. Rurka wirowa.

2. Króciec wlotowy czynnika roboczego.

3. Komora zawirowania czynnika roboczego.

4. Wyjście zimnego strumienia czynnika roboczego.

5. Korpus rurki w której odbywa się separacja czynnika roboczego na strumień ciepły i zimny.

6. Stożkowy zawór wyjściowy gorącego strumienia czynnika roboczego.

7. Wyjście gorącego strumienia czynnika roboczego.

8. Podstawa.

9. Łożyska zintegrowane z podstawą.

10. Uszczelka.

rysunek sporządzony na podstawie grafiki: Ranque-Hilsch_Vortex_Tube.svg, źródło: wikipedia.org, oznaczony jako stan techniki.

Opis rysunku 2

11. Komora wirowania czynnika roboczego silnika.

12. Kanały odprowadzające skropliny czynnika roboczego.

13. Wypustki na ścianach wewnętrznych komory wirowania czynnika roboczego silnika.

14. Przekrój poprzeczny korpusu silnika z uwidocznionymi kanałami odprowadzania skroplin.

15. Ujście skroplin.

16. Krawędzie wewnętrznych ścian komory wirowania czynnika roboczego silnika.

Claims (3)

1. Przepływowy silnik cieplny wewnętrznie kondensacyjny zbudowany z rurki wirowej (1), posiadający elementy klasycznej rurki wirowej to jest: króciec wlotowy (2) czynnika roboczego, komorę zawirowania (3) czynnika roboczego, korpus rurki wirowej (5) w którym następuje separacja czynnika roboczego na strumień zimny i gorący, wyjście (4) zimnego strumienia czynnika roboczego, wyjście (7) gorącego strumienia czynnika roboczego oraz korpus rurki wirowej (5) w celu stabilizacji osadzony jest na łożyskach (9), które to przytwierdzone są do podstawy (8) zapewniając tym samym możliwość obrotu korpusu rurki wirowej (5) i zaworu stożkowego (6) zintegrowanego z korpusem rurki wirowej (5) na ujściu ciepłego strumienia wyjściowego, równocześnie korpus rurki wirowej (5) przylega do komory zawirowania, gdzie na styku obu elementów występuje uszczelka (10) uszczelniająca wnętrze przedmiotowej rurki wirowej od zewnętrza zapewniając równocześnie możliwość swobodnego obrotu korpusu rurki wirowej wzdłuż jej poziomej osi, znamienny tym, że średnica wewnętrznej przestrzeni korpusu rurki (11) rośnie wraz ze wzrostem odległości od komory zawirowania (3) w kierunku ujścia (7) gorącego strumienia czynnika roboczego, jednocześnie w wewnętrznych ścianach korpusu rurki (5) wycięte są kanały (12) poprzeczne wzdłuż całej długości wewnętrznych ścian korpusu rurki (5) zakończone ujściem na zewnątrz korpusu rurki (5) znajdującym się przed ujściem gorącego strumienia czynnika roboczego (7), przy czym oba wyjścia są fizycznie od siebie odseparowane.

2. Przepływowy silnik cieplny wewnętrznie kondensacyjny według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że na wewnętrznych ściankach korpusu występują trójkątne (13), trapezowe bądź prostokątne wypustki w formie pierścieni, przy czym kanały (12) są połączone z zagłębieniami wypustek w taki sposób, aby skropliny czynnika roboczego osadzające się na wypustkach (13) mogły swobodnie spływać do kanałów (12) i spływać do ujścia (15).

3. Przepływowy silnik cieplny wewnętrznie kondensacyjny według zastrzeżenia 1 albo 2, znamienny tym, że jest przystosowany do wytwarzania energii elektrycznej poprzez konwersję energii mechanicznej obracającego się korpusu rurki (5) wraz ze zintegrowanym zaworem wyjściowym o budowie stożkowej (6) gorącego strumienia czynnika roboczego za pomocą opcjonalnych elementów pośrednich takich jak: wały, koła zębate, pasy klinowe lub prądnice.