RU2100634C1

RU2100634C1 - Stirling engine

Info

Publication number: RU2100634C1
Authority: RU
Inventors: Н.А. Петухов
Original assignee: Петухов Николай Афанасьевич
Priority date: 1991-04-19
Filing date: 1991-04-19
Publication date: 1997-12-27

Abstract

FIELD: mechanical engineering; engines. SUBSTANCE: Stirling engine has two bores 20 and 21 adjoining the cooler 9 and located in main line 10. Bores are placed in communication with ring channels of cooler by means of tangential channels 22 and 23, one bore 20 being connected to regenerator 9, and the other bore 21, being connected through tangential holes 24 to cold space 5 of cylinder 1. provision of two bore connected through tangential channels with ring channels of cooler makes it possible to create turbulence in working medium, thus intensifying heat exchange and, consequently, increasing engine efficiency. EFFECT: increased efficiency. 5 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области двигателестроения, а именно, к двигателям, работающим по циклу Стирлинга. The invention relates to the field of engine building, namely, to engines operating on the Stirling cycle.

Из авторского свидетельства N 1692205 (полож. реш. по заявке N 4796926/06 от 27.09.90) известен двигатель Стирлинга, содержащий по меньшей мере один цилиндр с верхней крышкой, вытеснительный и рабочий поршни, размещенные внутри цилиндра и разделяющие его на горячую полость, холодную полость и буферную полость, нагреватель, регенератор, охладитель, установленные последовательно в магистрали, соединяющей горячую и холодную полости, причем охладитель содержит рубашку охлаждения с патрубками для подвода и отвода охлаждающей жидкости, охладитель выполнен в виде кольцевых каналов, образованных при помощи втулок с внутренними отверстиями, расположенными равномерно по диаметру цилиндра в рубашке охлаждения, рубашка охлаждения снабжена нижним и верхним кольцевыми коллекторами, подключенными соответственно к патрубкам подвода и отвода охлаждающей жидкости и сообщенными между собой через внутренние отверстия во втулках, через пазы, выполненные между втулками, и радиальный зазор, образованный в рубашке охлаждения у ее периферии, причем охладитель выполнен по типу "труба в трубе", при этом внутренние отверстия во втулках, пазы и радиальный зазор в рубашке охлаждения заполнены охлаждающей жидкостью, а кольцевые каналы рабочим телом. From the copyright certificate N 1692205 (pos. Resol. By application N 4796926/06 from 09/27/90), the Stirling engine is known, comprising at least one cylinder with a top cover, displacement and working pistons located inside the cylinder and dividing it into a hot cavity, a cold cavity and a buffer cavity, a heater, a regenerator, a cooler installed sequentially in the line connecting the hot and cold cavities, the cooler comprising a cooling jacket with pipes for supplying and discharging coolant, the cooler is made in the form of annular channels formed by bushings with internal holes uniformly along the cylinder diameter in the cooling jacket, the cooling jacket is provided with lower and upper annular collectors connected respectively to the inlet and outlet pipes of the coolant and communicated to each other through internal holes in the bushings, through the grooves made between the bushings and the radial clearance formed in the cooling jacket at its periphery, and the cooler is made in the form of a "pipe in pipe", while inside The front holes in the bushings, the grooves and the radial clearance in the cooling jacket are filled with coolant, and the annular channels are filled with a working fluid.

Недостатком известного двигателя является его низкий КПД, так как в гладких кольцевых каналах охладителя не происходит турбулизации и перемешивания рабочего тела из-за отсутствия источников турбулизации, вследствие чего снижается коэффициент теплоотдачи между рабочим телом и стенками охладителя, что и приводит к снижению КПД такого двигателя. Кроме того, в этом двигателе Стирлинга каналы для входа и выхода рабочего тела в охладитель выполнены радиальными, поэтому у концов кольцевых каналов охладителя напротив каналов для входа и выхода рабочего тела в охладитель за втулками образуются застойные зоны, в которых практически не происходит движения рабочего тела, в результате чего ухудшается теплообмен в этих зонах и снижается коэффициент теплоодачи между рабочим телом и стенками охладителя, что и приводит к снижению КПД двигателя Стирлинга. Каналы для выхода рабочего тела в холодную полость в этом двигателе выполнены радиальными, поэтому в холодной полости не происходит турбулизации и более интенсивного перемешивания рабочего тела из-за отсутствия источников турбулизации, что приводит к ухудшению теплообмена в холодной полости, снижению коэффициента теплоотдачи между рабочим телом и стенками цилиндра, а следовательно, и к снижению КПД двигателя Стирлинга. A disadvantage of the known engine is its low efficiency, since turbulence and mixing of the working fluid do not occur in the smooth annular channels of the cooler due to the lack of turbulization sources, as a result of which the heat transfer coefficient between the working fluid and the cooler walls decreases, which leads to a decrease in the efficiency of such an engine. In addition, in this Stirling engine, the channels for entering and exiting the working fluid into the cooler are made radial, therefore, at the ends of the annular channels of the cooler opposite the channels for entering and exiting the working fluid into the cooler behind the bushings, stagnant zones are formed in which there is practically no movement of the working fluid, as a result, heat transfer is deteriorating in these zones and the heat transfer coefficient between the working fluid and the cooler walls is reduced, which leads to a decrease in the efficiency of the Stirling engine. The channels for the outlet of the working fluid into the cold cavity in this engine are made radial, therefore, in the cold cavity there is no turbulization and more intensive mixing of the working fluid due to the lack of turbulization sources, which leads to a deterioration in heat transfer in the cold cavity, lower heat transfer coefficient between the working fluid and the walls of the cylinder, and therefore, to reduce the efficiency of the Stirling engine.

Целью изобретения является повышение КПД путем интенсификации теплообмена во внутреннем контуре двигателя. The aim of the invention is to increase efficiency by intensifying heat transfer in the internal circuit of the engine.

Поставленная цель достигается тем, что известный двигатель Стирлинга снабжен двумя расточками, примыкающими к охладителю, размещенными в магистрали и сообщенными с кольцевыми каналами охладителя при помощи тангенциальных каналов, причем одна расточка подключена к генератору, а другая через тангенциальные отверстия подключена к холодной полости цилиндра, тангенциальные каналы и отверстия выполнены прямоугольными, тангенциальные каналы и отверстия выполнены спиральными, в тангенциальных каналах и отверстиях размещены вставки спиральной формы, вставки выполнены из металлической полосы, скрученной в спираль и закреплены в тангенциальных каналах и отверстиях при помощи неразъемного соединения: сварки или пайки. This goal is achieved by the fact that the well-known Stirling engine is equipped with two bores adjacent to the cooler, located in the main and communicated with the annular channels of the cooler using tangential channels, one bore connected to the generator, and the other through tangential openings connected to the cold cavity of the cylinder, tangential channels and holes are made rectangular, tangential channels and holes are made spiral, spiral inserts are placed in tangential channels and holes In the form of an insert, the inserts are made of a metal strip twisted into a spiral and fixed in tangential channels and holes by means of an integral connection: welding or soldering.

На фиг. 1 изображен двигатель Стиринга в разрезе; на фиг. 2 разрез А-А двигателя на фиг. 1 со спиральными каналами и отверстиями; на фиг. 3 разрез А-А двигателя на фиг. 1 с прямоугольными каналами и отверстиями, в которых размещены вставки спиральной формы. In FIG. 1 shows a sectional view of a Stiring engine; in FIG. 2 is a section AA of the engine of FIG. 1 with spiral channels and holes; in FIG. 3 is a section AA of the engine of FIG. 1 with rectangular channels and holes in which spiral inserts are placed.

Двигатель Стиринга содержит по меньшей мере один цилиндр 1 с верхней крышкой. Вытеснительный 2 и рабочий 3 поршни размещены внутри цилиндра 1 и разделяют его объем на горячую полость 4, холодную полость 5 и буферную полость 6. Нагреватель 7, регенератор 8, охладитель 9 установлены последовательно в магистрали 10, соединяющей горячую 4 и холодную 5 полости. Охладитель 9 содержит рубашку охлаждения 11 с патрубками для подвода 12 и отвода 13 охлаждающей жидкости. Охладитель 9 выполнен в виде кольцевых каналов, образованных при помощи втулок 14 с внутренними отверстиями 15, расположенными равномерно по диаметру цилиндра 1 в рубашке охлаждения 11. Рубашка охлаждения 11 снабжена нижним 16 и верхним 17 кольцевыми коллекторами, подключенными соответственно к патрубкам подвода 12 и отвода 13 охлаждающей жидкости и сообщенными между собой через внутренние отверстия 15 во втулках 14, через пазы 18, выполненные между втулками, и радиальный зазор 19, образованный в рубашке охлаждения 11 у ее периферии. Причем охладитель 9 выполнен по типу "труба в трубе", при этом внутренние отверстия 15 во втулках 14, пазы 18 и радиальный зазор 19 в рубашке охлаждения 11 заполнен охлаждающей жидкостью, а кольцевые каналы охладителя 9 рабочим телом. Двигатель снабжен двумя расточками 20 и 21, примыкающими к охладителю 9, размещенными в магистрали 10 и сообщенными с кольцевыми каналами охладителя 9 при помощи тангенциальных каналов 22 и 23, причем расточка 20 подключена к регенератору 8, а расточка 21 подключена к холодной полости 5 через тангенциальные отверстия 24 в гильзе 25. Тангенциальные отверстия 24 и каналы 22 и 23 могут быть выполнены как спиральными, так и прямоугольными. Для увеличения теплообменной поверхности охлаждения и повышения интенсификации теплообмена во внутреннем контуре двигателя в тангенциальных отверстиях 24 и каналах 22 и 23 размещены вставки 26 спиральной формы. Для упрощения технологии изготовления вставки 26 выполнены из металлической полосы, скрученной в спираль, и закреплены в тангенциальных отверстиях 24 и каналах 22 и 23 при помощи неразъемного соединения: сварки или пайки. Рабочий поршень 3 снабжен штоком 27 для передачи движения приводному механизму (не показан). The Stiring engine comprises at least one cylinder 1 with a top cover. The displacing 2 and working 3 pistons are located inside the cylinder 1 and divide its volume into a hot cavity 4, a cold cavity 5 and a buffer cavity 6. A heater 7, a regenerator 8, a cooler 9 are installed in series in the line 10 connecting the hot 4 and cold 5 cavities. The cooler 9 contains a cooling jacket 11 with nozzles for supplying 12 and discharging 13 coolant. The cooler 9 is made in the form of annular channels formed by bushings 14 with internal holes 15 arranged uniformly along the diameter of the cylinder 1 in the cooling jacket 11. The cooling jacket 11 is provided with a lower 16 and upper 17 ring collectors connected respectively to the inlet 12 and outlet 13 nozzles coolant and communicated with each other through the internal holes 15 in the sleeves 14, through the grooves 18 made between the sleeves, and a radial clearance 19 formed in the cooling jacket 11 at its periphery. Moreover, the cooler 9 is made by the type “pipe in pipe”, while the internal holes 15 in the bushings 14, the grooves 18 and the radial clearance 19 in the cooling jacket 11 are filled with coolant, and the annular channels of the cooler 9 are filled with a working fluid. The engine is equipped with two bores 20 and 21 adjacent to the cooler 9, located in the highway 10 and communicated with the annular channels of the cooler 9 using tangential channels 22 and 23, with the bore 20 connected to the regenerator 8, and the bore 21 connected to the cold cavity 5 through the tangential holes 24 in the sleeve 25. The tangential holes 24 and the channels 22 and 23 can be made both spiral and rectangular. To increase the heat transfer surface of the cooling and increase the intensification of heat transfer in the internal circuit of the engine in the tangential holes 24 and channels 22 and 23 are placed inserts 26 of a spiral shape. To simplify the manufacturing technology, the inserts 26 are made of a metal strip twisted into a spiral and are fixed in the tangential holes 24 and channels 22 and 23 using an integral connection: welding or soldering. The working piston 3 is provided with a rod 27 for transmitting movement to a drive mechanism (not shown).

Двигатель Стирлинга работает следующим образом. Stirling engine operates as follows.

Теплота подводится к нагревателю 7 и горячей полости 4 и отводится от охладителя 9 и холодной полости 5 охлаждающей жидкостью, поступающей через патрубок 12 в коллектор 16, затем одновременно через внутренние отверстия 15 во втулках 14, радиальный зазор 19 и пазы 18 поступает в коллектор 17 и выходит через патрубок 13. При движении вытеснительного поршня 2 вверх рабочее тело из горячей полости 4 через нагреватель 7, регенератор 8 поступает в расточку 20, затем через тангенциальные каналы 22 попадает в кольцевые каналы охладителя 9 и далее через тангенциальные каналы 23, расточку 21 и тангенциальные отверстия 24 в гильзе 25 перемещается в холодную полость 5 и охлаждается. За счет тангенциальных каналов 22 и 23 происходит интенсификация теплообмена в кольцевых каналах охладителя 9 путем закручивания, турбулизации и спирального движения рабочего тела, а за счет тангенциальных отверстий 24 в гильзе 25 происходит интенсификация теплообмена в холодной полости 5 за счет вращения и более интенсивного перемещения рабочего тела. Давление в цилиндре 1 при этом снижается и рабочий поршень 3 за счет усилия, действующего на шток 27 от приводного механизма, перемещается в верхнее положение, осуществляя сжатие рабочего тела. После реверса вытеснительный поршень 2 перемещается вниз. При этом рабочее тело из холодной полости 5 через тангенциальные отверстия 24, расточку 21 и тангенциальные каналы 23 поступает в кольцевые каналы охладителя 9, затем через тангенциальные каналы 22, расточку 20, регенератор 8 и нагреватель 7 перемещается в горячую полость 4 и прогревается. В результате нагрева рабочего тела давление в цилиндре 1 повышается и воздействует на рабочий поршень 3, который под действием этого давления начинает двигаться к нижнему положению, совершая расширение рабочего тела и полезную работу, передаваемую через шток 27 приводному механизму. После реверса вытеснительного поршня 2 к верхнему положению цикл повторяется. Heat is supplied to the heater 7 and the hot cavity 4 and is removed from the cooler 9 and the cold cavity 5 by the cooling fluid entering through the nozzle 12 to the manifold 16, then simultaneously through the internal holes 15 in the bushings 14, the radial clearance 19 and the grooves 18 enter the manifold 17 and leaves through the nozzle 13. When the displacement piston 2 moves up, the working fluid from the hot cavity 4 through the heater 7, the regenerator 8 enters the bore 20, then through the tangential channels 22 it enters the annular channels of the cooler 9 and then through the tangent nye channels 23, bore 21 and tangential openings 24 in the sleeve 25 moves into the cold chamber 5 and cooled. Due to the tangential channels 22 and 23, the heat transfer is intensified in the annular channels of the cooler 9 by twisting, turbulization and spiral movement of the working fluid, and due to the tangential holes 24 in the sleeve 25, the heat transfer is intensified in the cold cavity 5 due to rotation and more intensive movement of the working fluid . The pressure in the cylinder 1 is reduced and the working piston 3 due to the force acting on the rod 27 from the drive mechanism, moves to the upper position, compressing the working fluid. After the reverse, the displacement piston 2 moves down. In this case, the working fluid from the cold cavity 5 through the tangential openings 24, the bore 21 and the tangential channels 23 enters the annular channels of the cooler 9, then through the tangential channels 22, the bore 20, the regenerator 8 and the heater 7 moves into the hot cavity 4 and warms up. As a result of heating the working fluid, the pressure in the cylinder 1 rises and acts on the working piston 3, which, under the influence of this pressure, begins to move to the lower position, expanding the working fluid and useful work transmitted through the rod 27 to the drive mechanism. After the reverse of the displacement piston 2 to the upper position, the cycle is repeated.

Наличие двух расточек, соединенных через тангенциальные каналы с кольцевыми каналами охладителя, позволяет закручивать, турбулизировать и более интенсивно перемещать рабочее тело при спиральном движении его по кольцевым каналам охладителя, что приводит к интенсификации теплообмена во внутреннем контуре за счет увеличения коэффициента теплоодачи между рабочим телом и стенками охладителя, увеличению перепада давления в цилиндре, увеличению индикаторной и выходной мощности, а следовательно, и к повышению КПД двигателя Стирлинга. Наличие в гильзе тангенциальных отверстий, выходящих в холодную полость, позволяет также интенсифицировать теплообмен, но уже в холодной полости за счет вращения рабочего тела и увеличения тем самым коэффициента теплоотдачи между рабочим телом и стенками цилиндра, что приводит к повышению эффективности внутреннего контура и повышению КПД двигателя Стирлинга. Размещение спиральных вставок в тангенциальных каналах и отверстиях позволяет не только увеличить теплообмен и улучшить эффективность внутреннего контура двигателя путем вращения и турбулизации рабочего тела, но и увеличить теплообменную поверхность тангенциальных каналов и отверстий, что и приводит к повышению эффективности двигателя Стирлинга и повышению его КПД. Двигатель Стирлинга может быть с успехом использован в автономных установках систем навигации, систем жизнеобеспечения в труднодоступных районах, под водой, в космическом пространстве, под землей и других отраслях народного хозяйства. The presence of two bores connected through tangential channels with the annular channels of the cooler allows you to twist, turbulize and more intensively move the working fluid during its spiral movement along the annular channels of the cooler, which leads to the intensification of heat transfer in the internal circuit due to an increase in the heat transfer coefficient between the working fluid and the walls cooler, increase the pressure drop in the cylinder, increase the indicator and output power, and therefore, increase the efficiency of the Stirling engine. The presence of tangential openings in the sleeve extending into the cold cavity also makes it possible to intensify heat transfer, but already in the cold cavity due to rotation of the working fluid and thereby increasing the heat transfer coefficient between the working fluid and the cylinder walls, which leads to an increase in the efficiency of the internal circuit and an increase in engine efficiency Stirling. The placement of spiral inserts in the tangential channels and holes allows not only to increase heat transfer and improve the efficiency of the internal circuit of the engine by rotating and turbulizing the working fluid, but also to increase the heat transfer surface of the tangential channels and holes, which leads to an increase in the efficiency of the Stirling engine and increase its efficiency. The Stirling engine can be successfully used in stand-alone installations of navigation systems, life support systems in remote areas, under water, in outer space, underground and other sectors of the economy.

Claims

1. The Stirling engine, containing at least one cylinder with a top cover, a displacement and working pistons located inside the cylinder and dividing its volume into a hot cavity, a cold cavity and a buffer cavity, a heater, a regenerator, a cooler installed in series in the line connecting the hot and a cold cavity, the cooler comprising a cooling jacket with nozzles for supplying and discharging coolant, the cooler is made in the form of annular channels formed by bushings with internal holes, uniformly across the diameter of the cylinder in the cooling jacket, the cooling jacket is equipped with lower and upper annular collectors connected respectively to the pipes for supplying and discharging coolant and communicated with each other through internal holes in the bushings, through grooves made between the bushings, and a radial clearance, formed in the cooling jacket at its periphery, and the cooler is made of the type “pipe in pipe”, while the internal holes in the bushings, the grooves and the radial clearance in the jacket are cooled it is filled with coolant, and the annular channels are filled with a working fluid, characterized in that, in order to increase the efficiency by intensifying heat transfer in the internal circuit, the engine is equipped with two bores adjacent to the cooler, located in the main and communicated with the ring channels of the cooler using tangential channels, moreover, one bore is connected to the regenerator, and the other through tangential openings connected to the cold cavity of the cylinder.

2. The engine according to claim 1, characterized in that the tangential channels and holes are made rectilinear.

3. The engine according to claim 1, characterized in that the tangential channels and holes are made spiral.

4. The engine according to PP.1 to 3, characterized in that in the tangential channels and openings placed inserts of a spiral shape.

5. The engine according to claim 4, characterized in that, in order to simplify the manufacturing technology, the inserts are made of a metal strip twisted into a spiral, and are fixed in tangential channels and holes using an integral connection: welding or soldering.