RU2000013C1 - Парожидкостный жидкопоршневой двигатель - Google Patents

Abstract

Использование: в качестве привода насосов , вентил торов,электрогенераторов,а также в качестве двигателей плавучих, колесных и летательных аппаратов. Сущность изобретени : двигатель содержит гидротурбину дл  преобразовани  энергии струй жидкости во вращательное движение вала, размещенную в верхней части камеры 22, частично заполненной газовой смесью и расположенной выше испарител  1. Нагреватель испарител  1 выполнен в виде камеры 7 сгорани  с топливо- и воздухопроводами. Испаритель 1 и камера 7 сгорани  имеют теплоизол ционную оболочку 12 в виде перевернутого стакана, установленного в корпусе испарител . Воздуховод выполнен охватывающим корпус испарител  с образованием регенеративного воздухоподогревател  13, Па.рожидкостны й канал выполнен в виде двух коаксиально расположенных труб, в полости между которыми установлены вставки 29 и 30 с продольными каналами. Верхн   часть внутренней трубы имеет размещенную на входе в испаритель 1 полую конусную насадку с отверсти ми в боковой поверхности у основани  конуса. Нагнета- тельно-всасывающий элемент выполнен в виде нагнетательного и всасывающего трубопроводов соответственно 19 и 17, расположенных в вертикальной плоскости с образованием U-образных трактов, при этом указанные трубопроводы одним концом подсоединены соответственно к нижним концам наружной и внутренней труб парожидкостного канала 2, а другим - к сопловому аппарату 27 гидротурбины и нижней части камеры 22. На наружной поверхности парожидкостного канала 2 и нагнетательного трубопровода 19 размещен холодильник 3. 2 з.п.ф-лы, 4 ил ю ND О О о о СА) о

Description

Изобретение относитс  к области тепловых двигателей, а более конкретно к дви- гател м внешнего нагрева с жидким поршнем, и может найти применение в качестве привода насосов, вентил торов,

электрогенераторов, а также в качестве двигателей плавучих, колесных и летательных транспортных средств.

Целью изобретени   вл етс  повышение эффективности.

На фиг. 1 изображена принципиальна  схема пэрожидкостного жидкопоршневого двигател ; на фиг.2 - поперечное сечение А-А камеры сгорани  с испарителем; на фиг.З - поперечное сечение Б-Б парожид- костного канала (вариант с квадратными каналами во.вставках); на фиг.4 - поперечное сечение Б-Б парожидкостного канала (вариант выполнени  каналов в форме равносторонних треугольников).

Двигатель содержит последовательно соединенные испаритель 1, парожидкост- ный канал 2 и холодильник 3. Испаритель 1 образован двум  коаксиально расположенными трубами 4 и 5, межтрубное пространство между которыми с одной стороны герметично заглушено, а с другой - подключено к парожидкостному каналу 2. В пространстве между трубами 4 и 5 испарител  1 установлены продольные перфорированные ребра в виде зигзагообразной ле.нты б, котора  в местах изгибов соединена с внутренней 4 и наружной 5 трубами. Внутренн   полость внутренней трубы 4 испарител  1 образует камеру сгорани  7. Основание внутренней трубы 4 испарител  1 герметично закрыто заглушкой 8 конической формы. В основании внутренней трубы 4 испарител  установлены горелка 9, к которой подключены топливопровод 10 и воздуховод 11. В варианте двигател  с твердотопливной камерой сгорани  в основании внутренней трубы и испарител  1 установлен под (на фиг.1 не показан), а в стенках испарител  1 выполнен герметичный проем дл  загрузки твердого топлива (на фиг.1 не показан). Под подом установлен воздуховод дл  подачи воздуха в камеру сгорани  7. Вокруг испарител  1 размещена теплоизол ционна  оболочка 12. Теплоизол ционна  оболочка 12 выполнена в виде перевернутого стакана и установлена с зазором по отношению к наружной поверхности испарител  1. Вокруг теплоизол ционной оболочки 12 размещена с зазором пола  обечайка, выполн юща  роль регенеративного воздухоподогревател  13 С входным патрубком 14. В верхней части воздухоподогревател  установлена т гова  труба 15. Парожидко- стный канал 2 и часть холодильника 3 выполнены в виде двух коаксиальных труб, расположенных вертикально, причем нижний конец внутренней трубы 16 подсоединен к всасывающей трубе 17 большего сечени  с образованием канала U-образной формы, а нижний конец наружной трубы 18 подсоединен к нагнетательной трубе 19 меньшего сечени  также с образованием канала U-обраэной формы, при этом верхний участок 20 внутренней трубы 16 имеет

форму конуса с вершиной, расположенной на входе в испаритель 1, на боковой поверхности которого у его основани  выполнены отверсти  21, а верхн   часть всасывающей

трубы 17 подключена к камере 22, частично заполненной газовой смесью 23, в которой над уровнем жидкости 24 установлено рабочее колесо, 25 гидротурбины, а вал 26 рабочего колеса 25 гидротурбины имеет

герметичный выход за пределы камеры 22. Часть теплообменной поверхности холодильника 3 размещена на участке нагнетательной трубы 19, котора  герметично введена в камеру 22, выход которой установлен соосно с рабочим колесом 25 турбины и подключен к сопловому аппарату 27, размещенному внутри рабочего колеса 25 в центральной его части и содержащему по крайней мере два сопла 28. В парожидкостном канале 2 между внутренней 16 и наружной 18 трубами, а также во внутренней трубе 16 размещены вставки 29 и 30 соответственно , выполненные в виде продольных каналов одинакового сечени  и формы, причем

каналы во вставках 29 и 30 могут иметь в сечении либо форму квадрата, либо форму равностороннего треугольника. Контур двигател  заполнен рабочей жидкостью 24, при этом часть объема испарител  1 заполнена

смесью пара рабочей жидкости 24 и неконденсирующихс  в диапазоне рабочих температур газов. В камере 22 под рабочим колесом 25 установлен направл ющий желоб 31. Парожидкостный жидкопоршневой

двигатель работает следующим образом.

Перед началом работы двигатель заправл ют рабочей жидкостью, а в испаритель 1 и камеру 22 вводитс  неконденсирующийс  в диапазоне рабочих

температур газ. Затем к рабочему телу в испаритель 1 подводитс , а в холодильнике 3 от него отводитс  теплота. Теплота нагревающей среды передаетс  рабочему телу в виде парогазовой смеси и жидкости. Жидкость рабочего тела закипает, а неконденсирующийс  газ нагреваетс , что приводит к увеличению давлени  парогазовой смеси. Под действием давлени  парогазовой смеси рабоча  жидкость перемещаетс  по внутренней трубе 16 и межтрубному пространству парогазожидкостного канала 2 через каналы вставок 29 и 30 и по каналу холодильника 3, а затем поступает соответственно во всасывающую 17 и нагнетательную 19

трубы. Поскольку диаметр внутренней трубы 16 значительно меньше диаметра всасывающей трубы 17, а диаметр наружной трубы 18 значительно больше диаметра нагнетательной трубы 19, подъем жидкости в

нагнетательной трубе 19 будет существенно

выше, чем во всасывающей 17. В результате замыкание конца нагнетательной трубы 19 на всасывающую 17 через турбину с сопловым аппаратом 27 и рабочим колесом 25. размещенными в камере 22, обеспечивает, во-первых, преобразование кинетической энергии струи жидкости в крут щий момент на валу 26 рабочего колеса 25 турбины, во- вторых, циркул цию рабочей жидкости в контуре парожидкостного жидкопоршнево- го двигател  и, в-третьих, насыщение рабочей жидкости 24 неконденсирующимс  газом стру ми жидкости, выход щими из межлопаточных промежутков рабочего колеса 25 и стекающими по направл ющему желобу 31. которые при ударе о поверхность жидкости 24 захватывают неконденсирующийс  газ, причем размещение камеры 22 в наиболее холодной части контура двигател  позвол ет обеспечить максимальное насыщение рабочей жидкости неконденсирующимс  газом.

Процесс расширени  парогазовой смеси над жидкостью в парожидкостном канале 2, как показали исследовани  на стекл нных модел х, протекает по принципу затопленных парогазовых струй 2 с образованием в жидкости в конце рабочего тела парогазовых пузырьков и образованием значительного прогиба поверхности жидкости с увеличением площади этой поверхности . Это позвол ет интенсифицировать процесс конденсации отработанного пара в конце рабочего хода за счет увеличени  теплообменной поверхности между паром и жидкостью при образовании конуса конденсации и парогазовых пузырьков. Интенсификаци  процесса конденсации отработанного пара ускор ет этот процесс и обеспечивает более полную его конденсацию . При этом часть образовавшихс  пузырьков будет уноситьс  с жидкостью в нагнетательную трубу 19, а из нее в камеру 22. После конденсации отработанного пара, охлаждени  неконденсирующегос  газа и отвода тепла от рабочей жидкости в холодильнике 3 завершаютс  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 давлени  в камере, начинаетс  обратное движение жидкости в обоих U-образных каналах в сторону испарител  1.

Увеличение количества пузырьков, образующихс  в жидкости в конце рабочего хода, при размещении в парогазожидкост- ном канале 2 вставок 29 и 30 с продольными каналами ОДИНЗКОРЮЙ формы и сечени , заполн ющих все сечрние межтрубного пространства и внутренней трубы 16, обусловлено следующим. Образование пузырьков п жидкости, движущейс  по гладкому каналу, под действием расшир ющегос  парогазо- 5 вого потока возможно только при определенных услови х, аналогичных тем, которые имеют место в затопленных парогазовых стру х 2,3,4, когда в вершине конуса затопленной парогазовой струи за счет завихре0 ний образуютс  пузырьки, движущиес  вдоль оси потока, при этом, чем больше диаметр парогазожидкостного канала, тем со- ответственно меньше количество пузырьков будет приходитьс  на единицу

5 площади сечени  канала, так как в затопленных стру х пузырьки формируютс  только в вершине конуса затопленной струи. Как показали исследовани  на стекл нных модел х при использовании в качестве рабо0 чей жидкости воды, а в качестве парогазовой смеси паровоздушной смеси, пузырьки в жидкости, движущейс  по паро- газожидкостному каналу 2, начинают образовыватьс  уже при диаметрах 4 мм.

5 Поэтому, чем больше будет затопленных струй, тем больше количество пузырьков будет образовыватьс  на единицу площади сечени  парогазожидкостного канала 2. Выбор количества каналов во вставках 29 и

0 30 будет определ тьс  единичной мощностью двигател , тем большее количество пу- зырьков требуетс  дл  обеспечени  эффективной регенерации тепла отработанного пара и образовани  требуемого коли5 чества пара в испарителе 1 при струйном впрыске в испаритель жидкости в виде брызг и струй при разрыве пузырьков на границе раздела фаз. Поэтому дл  увеличени  единичной мощности двигател  необхо0 димо увеличивать площадь сечени  межтрубного пространства парожидкостного канала 2 и внутренней трубы 16 дл  размещени  вставок 29 и 30 с соответствующим количеством продольных

5 каналов, то есть необходимо обеспечить пропорциональное увеличение диаметра парогазожидкостного канала 2 и количества образующихс  пузырьков, так как каждый канал вставки  вл етс  источником обрззо0 вани  пузырьков.

При обратном ходе под действием гидростатического столба жидкости жидкость во внутренней трубе 16, насыщенна  неконденсирующимс  газом в камере 22, будет

5 двигатьс  к испарителю 1 со значительно большей скоростью, чем жидкость в межтрубном пространстве, т.к. площадь сечени  межтрубного пространства больше сечени  внутренней трубы 13. Поскольку жидкость, движуща с  по внутреннрй трубе

16.  вл етс  более холодной, чем жидкость в межтрубном пространстве, то при своем движении в сторону испарител  1 она будет отбирать теплоту от жидкости, движущейс  в межтрубном пространстве, обеспечива  процесс регенеративного подогрева рабочей жидкости во внутренней трубе 16. движущейс  в сторону испарител  1. Нагрев насыщенной неконденсирующимс  газом жидкости сопровождаетс  выделением из нэе газа а виде пузырьков и испарени  в них жидкости, за счет чего пузырьки будут увеличиватьс  в размерах. При понижении давлени  в рабочем объеме, а следовательно, и в жидкости, движущейс  в парогазожидко- стном канале 2, пузырьки со смесью газов  вл ютс  очагами испарени  в них окружающей рабочей жидкости и аккумулируют ее тепловую энергию. Испарение рабочей жидкости в объеме пузырьков сопровождаетс  ее охлаждением, в результахе чего уменьшаетс  количество теплоты, передаваемой от рабочего тела окружающей среде в холодильнике 3. Таким образом, в предложенном двигателе осуществл етс  двухступенчата  регенераци  теплоты, что существенно повышает его термодинамическую эффективность по сравнению с прототипом . После того, как рабоча  жидкость с парогазовыми пузырьками, движуща с  по внутренней трубе 16, достигнет конического участка 20 с отверсти ми 21, она поступает через отверсти  21 в межтрубное пространство , где обеспечивает конденсацию оставшегос  в нем пара и охлаждение неконденсирующегос  газа, дополнительно снижа  давление в рабочем объеме и ускор   движение жидкости по межтрубному пространству. Затем она смешиваетс  с жидкостью, движущейс  по межтрубному пространству в сторону испарител  1. Часть поступившей в межтрубное пространство жидкости в виде брызг от лопнувших пузырьков направл етс  в испаритель 1. Парообразование жидкости на теплообменной поверхности испарител  1 приведет к повышению давлени  парогазовой смеси в рабочем объеме. При повышении давлени  в рабочем объеме произойдет концентраци  пузырьков у границы раздела фаз при приближении ее к испарителю 1 и их несиммет- ричное охлопывание с образованием высокоскоростных струй из окружающей пузырьки жидкости. Механизм образовани  таких струй подробно рассмотрен в работе 5. Эти струи практически мгновенно попадают в испаритель 1 на развитую теплооб- менную поверхность и распредел ютс  по ее поверхности. Возможно также, что при движении рабочей жидкости к испарителю

1 часть ее, насыщенна  парогазовыми пузырьками в виде пены, частично войдет в испаритель 1. Однако в обоих случа х в испаритель попадет ограниченное, дозированное количество жидкости, котора  полностью испар етс  на теплообменной поверхности, а затем вместе с газом нагреваетс  до более высоких температур, при которых пар становитс  перегретым, что

0 обеспечивает более высокие температуры и давлени  парогазовой смеси, чем в двигателе без использовани  неконденсирующегос  газа. Жидкий поршень при обратном ходе останавливаетс  у входа в испаритель

5 1 из-за резкого увеличени  давлени  в рабочем объеме испарител , который в предложенной конструкции имеет более высокое отношение площади к его объему по сравнению с цилиндрической конструкцией испа0 рител . Это обеспечивает существенное уменьшение необратимых потерь, св занных с нагреванием жидкости и последующим отводом от нее теплоты без совершени  работы. Перед входом в испа5 ритель 1 пузырьки сжимаютс  с повышением термодинамического потенциала их содержимого, которое выбрасываетс  из жидкого поршн  в испаритель 1 с образованием брызг и струй, возвраща  тем самым в

0 зону нагрева парогазовую смесь повышенного потенциала дл  повторного использовани , а также дозированное количество жидкости, которое полностью переходит в пар.

5 На этом завершаютс  процессы обратного хода, после чего термодинамический цикл повтор етс  в указанной последовательности .

Унос из рабочего объема с пузырьками

0 неконденсирующегос  газа в процессе рабочего хода компенсируетс  посто нным подводом такого же количества неконденсирующегос  газа в рабочий объем с жидкостью , насыщенной этим газом, подаваемой

5 по внутренней трубе 1 во врем  обратного хода, что позвол ет поддерживать е рабочем объеме посто нное количество неконденсирующегос  газа. Это позвол ет обеспечить высокую устойчивость и надеж0 ность работы двигател .

Работа теплогенератора, в котором в качестве нагревающей среды используетс  высокотемпературный теплоноситель в виде сжигаемого органического топлива, осу5 ществл етс  следующим образом. В горелку 9 камеры сгорани  7 подаетс  по трубопроводам 10 и 11 соответственно жидкое и газообразное топливо и нагретый воздух . При сгорании топлива в камере сгорани  7 выдел етс  теплота высокого потенциала , котора  конвекцией и излучением передаетс  к внутренней трубе 4 испарител  1, а затем отход щие гор чие газы огибают испаритель 1 с наружной стороны и проход т по кольцевому каналу между наружной трубой 5 испарител  и теплоизол ционной оболочкой 12, отдава  теплоту испарителю через его наружную поверхность и обеспечива  тем самым более глубокое срабатывание температурного потенциала сжигаемого топлива, что повышает работоспособность используемой теп- лоты, а следовательно, повышает эксергетический КПД двигател . Теплота от стенок испарител  и ребер, установленных в его полости, передаетс  к рабочему телу двигател . Перфораци  ребер повышает устойчивость работы испарител  а следовательно , и двигател  в целом за счет исключени  образовани  автономных каналов . Отсутствие перфорации в ребрах привело бы к тому, что каждый начал бы работать как самосто тельный испаритель независимо от работы соседних каналов. Поскольку количество жидкости, поступающей в каждый из каналов в виде брызг и струй, в этом случае будет неодинаковым, то и количество образующегос  пара в каждом из них и продолжительность его генерации

также будут неодинаковыми, что привело бы к нарушению синхронизации в их работе, з следовательно, к нарушению устойчивости работы двигател . .

Отход щие газы после теплообмена с испарител ми 1 поступают в кольцевой канал, образованный наружной поверхностью Теплоизол ционной оболочки 12 и теплообмен- ной поверхностью регенеративного

воздухоподогревател  13, передава  теплоту воздуху, поступающему в камеру сгорани  7. В случае исследовани  твердого топлива вместо горелки в основании камеры сгорание , 7 установлен под дл  размещени 

твердого топлива, в качестве которого могут использоватьс  уголь, дрова и другие виды твердого топлива. Загрузка топлива может осуществл тьс , например, с помощью пневматического транспортера или через

герметичное окно в боковой стенке испарител .

Таким образом, предложенный паро- жидкост-ный жидкопоршневой двигатель обладает повышенной энергетической эффективностью , повышенной устойчивостью и надежностью работы, более низкими весо- габаритными характеристиками, а также возможностью использ9вани  газообразного , жидкого и твердого топлива.

Claims (3)

1. Формула изобретени  1. Парожидкостный жидкопоршневой двигатель, содержащий последовательно соединенные испаритель с нагревателем, парожидкостный канал, выполненный в виде теплообменной поверхности холодильник , нагнетательно-вс.эсывающий элемент, заполненный рабочей жидкостью, выполн ющей роль поршн , и частично заполненную газовой смесью камеру, отличающийс  тем, что, с целью повышени  эффективности , он дополнительно снабжен гидротурбиной , размещенной в верхней части камеры и выполненной в виде размещенного на валу рабочего колеса с лопатками и сопловым аппаратом, установленным в центральной части рабочего колеса и содержащим по крайней мере два сопла, установленные с направлением их выходов на лопатки, при этом вал гидротурбины имеет герметичный выход за пределы камеры, котора  расположена выше испарител , а последний выполнен в виде корпуса с т говой трубой, размещенных коаксиально внутри него двух труб с образованием между последними испарительной полости и за- полн ющей ее перфорированной

   зигзагообразной ленты, соединенной в местах изгиба с поверхност ми труб, и герметичной заглушки, закрывающей сверху испарительную полость, сообщенную снизу с парожидкостным каналом, при этом нагреватель испарител  выполнен в виде камеры сгорани  с топливо- и воздухоподводами и размещен в нижней части полости внутренней трубы, причем испарительна  полость и камера сгорани  имеют теплоизол ционную оболочку в виде перевернутого стакана, установленного в корпусе испарител  с зазором относительно боковой поверхности наружной трубы, а воздухоподвод выполнен охватывающим корпус испарител  с образованием регенеративного воздухоподогревател , парожидкостный канал выполнен в виде двух коаксиально расположенных труб и установленной в полости между последними вставки с продольными каналами одинакового се чени , причем верхн   часть внутренней трубы имеет размещенную на входе в испаритель полую конусную насадку с отверсти ми в боковой поверхности у )с- новани  конуса, нагнетательно-всэсываю- щий элемент выполнен в виде нагнетательного и всасывающего трубопроводов , расположенных в вертикальной плоскости с образованием U-образных трактов, при этом указанные трубопроводы одним концом подсоединены соответственно к нижним концам наружной и внутренней труб парожидкостного канала, а другим - к сопловому аппарату гидротурбины и нижней части камеры, холодильник размещен на наружной поверхности парожидкостного канала и нагнетательного трубопровода.

   28

   Фиг
2. 2.Двигатель по п.1.отличающийс  тем. что вставка парожидкостного канала выполнена с продольными каналами квадратного поперечного сечени .
3. 3.Двигатель по п. 1,отличающийс  тем. что вставка парожидкостного канала выполнена с продольными каналами, имеющи- ми поперечное сечение в виде равностороннего треугольника.