RU2339821C2

RU2339821C2 - Multi-heat-pipe engine

Info

Publication number: RU2339821C2
Application number: RU2007100635/06A
Authority: RU
Inventors: Владимир Сергеевич Ежов (RU); Владимир Сергеевич Ежов
Priority date: 2007-01-09
Filing date: 2007-01-09
Publication date: 2008-11-27
Also published as: RU2007100635A

Abstract

FIELD: engines and pumps.

SUBSTANCE: invention relates to heat-and-power engineering and can be used for recovery of recycled power resources. The proposed multi-heat-pipe engine comprises a housing accommodating, all along the vapour path, an evaporation chamber made up of vertical evaporation sleeves and a separation section with their surfaces partially coated with a porous material strips, i.e. a wick, forming grooves between themselves, and with a continuous layer of the said wick accommodating discharge headers furnished with nozzles arranged at the evaporation sleeve inlets center, the aforesaid evaporation chamber being separated by the blank partition coated with the wink and a separation element. It also comprises a working chamber filled with the other wink, its side walls allowing the shaft to pass through them and to support the power turbine and feed pumps communicating with the working fluid chambers and spraying nozzles. The aforesaid chamber communicates, via a vapour nozzle, with the evaporation chamber and, via a dead steam nozzle with the condensation chamber made up of a distributing section. The aforesaid section bottom communicates, via the orifices, with the condensation sleeves, the said sleeve bottoms, in their turn, communicate with the working chamber winks via lift winks, the engine output shaft being coupled with the working tool.

EFFECT: engine higher efficiency.

5 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано для утилизации вторичных тепловых энергоресурсов и низкопотенциальной тепловой энергии природных источников, а именно для трансформации тепловой энергии в другие виды энергии.The present invention relates to a power system and can be used for the disposal of secondary thermal energy and low-potential thermal energy of natural sources, namely, for the transformation of thermal energy into other types of energy.

Известно устройство (тепловой двигатель) для утилизации тепла огнетехнического агрегата, содержащее последовательно соединенные между собой парогенератор (испарительную камеру), подключенный к огнетехническому агрегату (горячей среде), силовую турбину, конденсатор (конденсационную камеру), питательный насос, подогреватель и воздушный теплообменник [1].A device (heat engine) for heat recovery of a fire-fighting unit is known, comprising a steam generator (evaporation chamber) connected in series to each other, connected to a fire-fighting unit (hot medium), a power turbine, a condenser (condensation chamber), a feed pump, a heater and an air heat exchanger [1 ].

Основными недостатками известного устройства (теплового двигателя) являются невозможность утилизации низкопотенциальных вторичных тепловых энергоресурсов, тепловых ресурсов природных источников, громоздкость конструкции и невозможность работы при изменении ориентации в пространстве, что сужает область его применения и, в конечном счете, снижает его эффективность.The main disadvantages of the known device (heat engine) are the inability to utilize low-potential secondary thermal energy resources, the heat resources of natural sources, the bulkiness of the structure and the inability to work when changing the orientation in space, which narrows the scope of its application and, ultimately, reduces its effectiveness.

Более близким к предлагаемому изобретению является теплотрубный двигатель, который содержит помещенные в одном корпусе, последовательно соединенные между собой: испарительную камеру с канавками, находящуюся в контакте с горячей средой, адиабатно-изоэнтропную (рабочую) камеру, конденсационную камеру, находящуюся в контакте с холодной средой, питательный насос, при этом испарительная камера отделена от рабочей глухой перегородкой с вогнутым перфорированным сепарационным элементом, боковые стенки ее, глухая перегородка и крышка изнутри покрыты фитилем и слоем пористого материала, в рабочей камере стены корпуса также покрыты изнутри фитилем, а через боковые стены ее и фитиль насквозь пропущен вал, на который насажено колесо силовой турбины с лопатками, помещенной в корпус турбины, сообщающийся с испарительной камерой через паровое сопло, патрубок мятого пара, с конденсационной камерой, боковые стенки которой также покрыты изнутри фитилем, являющимся продолжением фитиля рабочей камеры, при этом один конец вала соединен с рабочим органом, а на другой насажен ротор питательного насоса, который сообщается с цилиндрическим резервуаром рабочей жидкости, размещенным в толще фитиля и сообщающимся с ним через поры фитиля на своей наружной поверхности, по центральной оси которого проходит вал, а с испарительной камерой питательный насос соединен напорным трубопроводом, снабженным на конце форсункой [2].Closer to the proposed invention is a heat pipe engine, which contains placed in one housing, connected in series: a vaporization chamber with grooves in contact with a hot medium, an adiabatic-isentropic (working) chamber, a condensation chamber in contact with a cold medium , a feed pump, while the evaporation chamber is separated from the working blind partition with a concave perforated separation element, its side walls, blind partition and lid from the inside covered with a wick and a layer of porous material, in the working chamber the walls of the casing are also covered from the inside with a wick, and through the side walls of it and the wick a shaft is passed through through which a wheel of a power turbine with blades is mounted, placed in the turbine casing, communicating with the vaporization chamber through a steam nozzle, crushed steam pipe, with a condensation chamber, the side walls of which are also covered from the inside with a wick, which is a continuation of the wick of the working chamber, with one end of the shaft connected to the working body and the feeder rotor mounted on the other pump, which communicates with the cylindrical reservoir of the working fluid located in the thickness of the wick and communicating with it through the pores of the wick on its outer surface, the shaft passes along its central axis, and the feed pump is connected to the evaporation chamber by a pressure pipe equipped with an nozzle at the end [2 ].

Основным недостатком известного теплотрубного двигателя является невозможность его использования ввиду малой мощности (меньше 1 кВт) при утилизации низкопотенциального тепла вторичных и природных источников в промышленных масштабах, что сужает область его применения и снижает эффективность.The main disadvantage of the known heat pipe engine is the inability to use it due to the low power (less than 1 kW) when utilizing low-grade heat of secondary and natural sources on an industrial scale, which narrows its scope and reduces efficiency.

Техническим результатом, на решение которого направлено предлагаемое изобретение, является увеличение мощности теплотрубного двигателя и связанные с этим возможность его применения в промышленных масштабах при утилизации тепла (в том числе и низкопотенциального) в различных отраслях народного хозяйства и повышение эффективности.The technical result, the solution of which the invention is directed, is to increase the power of the heat pipe engine and the related possibility of its use on an industrial scale in the utilization of heat (including low potential) in various sectors of the economy and increase efficiency.

Технический результат достигается в мультитеплотрубном двигателе (МТТД), включающем корпус, внутри которого по ходу движения пара расположены испарительная камера, состоящая из вертикальных испарительных гильз, внутренняя поверхность которых частично покрыта полосами пористого материала (фитиля), образующими между собой канавки, и соединенных открытым торцом с сепарационной секцией, внутренняя поверхность которой также покрыта сплошным слоем того же фитиля и в которой расположены передний и задний распределительные коллекторы, снабженные форсунками, размещенными в центре входа в испарительные гильзы, отделенная снизу глухой перегородкой, покрытой фитилем с перфорированным сепарационным элементом, выполненным в виде треугольной призмы, рабочая камера, заполненная другим фитилем, через боковые стенки которой и слои фитиля насквозь пропущен вал, на который насажено колесо силовой турбины, помещенной в корпус турбины, сообщающийся с испарительной камерой через паровое сопло, а через патрубок мятого пара с конденсационной камерой, состоящей из распределительной секции, днище которой через отверстия соединено с конденсационными гильзами, дно которых, в свою очередь, соединено с фитилем рабочей камеры подъемными фитилями, проходящими через центр конденсационных гильз, не касаясь внутренней поверхности их стенок, причем на наружной поверхности боковых стенок рабочей камеры устроены передний и задний питательные насосы, соединенные через всасывающие отверстия с передним и задним резервуарами рабочей жидкости, представляющими собой цилиндрические полости, размещенные в фитиле рабочей камеры и сообщающиеся с ним через поры в наружной поверхности, по центральной оси которых проходит вал, на который насажены роторы питательных насосов, соединенных через напорные трубопроводы с передним и задним коллекторами испарительной камеры, а выходной конец вала соединен также с рабочим органом.The technical result is achieved in a multi-tube engine (MTTD), which includes a housing inside which, in the direction of steam, there is an evaporation chamber consisting of vertical evaporation sleeves, the inner surface of which is partially covered by strips of porous material (wick), forming grooves between each other, and connected by an open end with a separation section, the inner surface of which is also covered with a continuous layer of the same wick and in which the front and rear distribution manifolds are located, nozzles located in the center of the entrance to the evaporator shells, separated from below by a blind partition covered with a wick with a perforated separation element made in the form of a triangular prism, a working chamber filled with another wick, through the side walls of which and layers of the wick a shaft is passed through, through which the shaft is mounted a wheel of a power turbine placed in the turbine casing, communicating with the evaporation chamber through a steam nozzle, and through a nozzle of crushed steam with a condensation chamber consisting of a distribution sec and the bottom of which through openings is connected to condensation sleeves, the bottom of which, in turn, is connected to the wick of the working chamber by lifting wicks passing through the center of the condensation sleeves without touching the inner surface of their walls, and the front and rear feed pumps connected through suction openings to the front and rear reservoirs of the working fluid, which are cylindrical cavities located in the wick of the working chamber and communicating They are connected through pores in the outer surface, along the central axis of which a shaft passes, onto which the rotors of the feed pumps are mounted, connected through pressure pipelines to the front and rear headers of the evaporation chamber, and the output end of the shaft is also connected to the working body.

На фиг.1, 2 представлен общий вид предлагаемого мультитеплотрубного двигателя, на фиг.3 - внутренняя поверхность испарительных гильз 3, на фиг.4 - план размещения гильз 3 и распределительных коллекторов 7 и 8, на фиг.5 - нижняя поверхность испарительной камеры 2.Figure 1, 2 shows a General view of the proposed multi-tube engine, figure 3 - the inner surface of the evaporation sleeves 3, figure 4 - layout of the sleeves 3 and distribution manifolds 7 and 8, figure 5 - the bottom surface of the evaporation chamber 2 .

МТТД состоит из корпуса 1, внутри которого по ходу движения пара расположены испарительная камера 2, состоящая из испарительных гильз 3, соединенных своими открытыми торцами с крышкой сепарационной секции 4, внутренняя поверхность которых покрыта полосами пористого материала (фитиля) 5, образующими между собой канавки 6, и сплошным слоем фитиля 5, в которой размещены передний и задний распределительные коллекторы 7 и 8, соответственно, снабженные форсунками 9, размещенными в центре входа в испарительные гильзы 3, отделенная снизу глухой перегородкой 10, также покрытой слоем фитиля 5, с перфорированным сепарационным элементом 11, выполненным в виде треугольной призмы 9, рабочая камера 12, заполненная своим фитилем 13, через боковые стенки которой и фитиль 13 насквозь пропущен вал 14, на который насажено колесо силовой турбины 15, помещенной в корпус турбины 16, сообщающийся с испарительной камерой 2 через паровое сопло 17, соединенное со стыковочной кромкой перегородки 10, а через патрубок мятого пара 18 с конденсационной камерой 19, состоящей из распределительной секции 20, днище которой через отверстия соединено с конденсационными гильзами 21, дно которых, в свою очередь, соединено с фитилем 13 подъемными фитилями 22, проходящими через центр конденсационных гильз 21, не касаясь поверхности их внутренних стенок, причем на наружной поверхности торцевых стенок рабочей камеры 12 устроены передний и задний питательные насосы 23 и 24, соответственно соединенные через всасывающие отверстия с передним и задним резервуарами рабочей жидкости 25 и 26, представляющими собой цилиндрические полости, размещенные в фитиле 13 и сообщающиеся с ним через поры в наружной поверхности, по центральной оси которых проходит вал 14, на который насажены роторы насосов 23 и 24, соединенные через напорные трубопроводы 27 и 28 с передним и задним коллекторами 7 и 8 испарительной камеры 2 соответственно, а выходной конец вала 14 соединен также с рабочим органом (на фиг.1 не показан).MTTD consists of a housing 1, inside of which, along the direction of steam, there is an evaporation chamber 2, consisting of evaporation sleeves 3 connected by their open ends to the lid of the separation section 4, the inner surface of which is covered with strips of porous material (wick) 5, which form grooves 6 , and a continuous layer of the wick 5, in which the front and rear distribution manifolds 7 and 8 are located, respectively, equipped with nozzles 9 located in the center of the entrance to the evaporation sleeves 3, which is separated from below by a blind cross rod 10, also covered with a layer of wick 5, with a perforated separation element 11, made in the form of a triangular prism 9, a working chamber 12, filled with its wick 13, through the side walls of which and wick 13 a shaft 14 is passed through through which the power turbine wheel 15 is mounted placed in the turbine housing 16, communicating with the evaporation chamber 2 through a steam nozzle 17 connected to the connecting edge of the partition 10, and through the pipe crushed steam 18 with a condensation chamber 19, consisting of a distribution section 20, the bottom of which the openings are connected to the condensation sleeves 21, the bottom of which, in turn, is connected to the wick 13 by lifting wicks 22 passing through the center of the condensation sleeves 21 without touching the surface of their inner walls, and front and rear nutritious are arranged on the outer surface of the end walls of the working chamber 12 pumps 23 and 24, respectively connected through suction holes to the front and rear reservoirs of the working fluid 25 and 26, which are cylindrical cavities placed in the wick 13 and communicating with it pores in the outer surface, along the central axis of which a shaft 14 passes, on which the rotors of the pumps 23 and 24 are mounted, connected through pressure pipes 27 and 28 to the front and rear headers 7 and 8 of the evaporation chamber 2, respectively, and the output end of the shaft 14 is also connected with the working body (not shown in figure 1).

В основе работы предлагаемого МТТД лежит основной цикл паросиловой установки - цикл Ренкина, согласно которому положительная работа расширения пара в турбине значительно превышает отрицательную работу насоса по сжатию конденсата [3, с.117], и высокая эффективность передачи теплоты в тепловых трубах, обусловленная высокими значениями коэффициента теплопередачи в процессах испарения и конденсации [4, с.146], которые делятся на три участка: зона испарения (подвода теплоты), адиабатная зона (переноса теплоты) и зона конденсации (отвода теплоты), покрытых изнутри фитилем и частично заполненных рабочей жидкостью-переносчиком теплоты, в качестве которой используются вода, спирты, хладоны, жидкие металлы и т.д. [5, с.106].The work of the proposed MTTD is based on the main cycle of the steam power plant - the Rankine cycle, according to which the positive work of steam expansion in the turbine significantly exceeds the negative work of the condensate compression pump [3, p. 117] and the high efficiency of heat transfer in heat pipes due to high values heat transfer coefficient in the processes of evaporation and condensation [4, p.146], which are divided into three sections: the evaporation zone (heat input), the adiabatic zone (heat transfer) and the condensation zone (heat removal), p covered inside the wick and partially filled with a working fluid heat-carrier, which are used as water, alcohols, freons, liquid metals, etc. [5, p.106].

Предлагаемый МТТД работает следующим образом.The proposed MTTD works as follows.

Предварительно перед началом работы из камер 2, 9, 17 МТТД удаляют воздух и закачивают рабочую жидкость, которую выбирают в зависимости от температурного потенциала холодной и горячей сред, отдельно в испарительную камеру 2 до полного насыщения фитиля 5 и совместно в рабочую и конденсационную камеры 12 и 19 соответственно (штуцера для удаления воздуха и подачи рабочей жидкости на фиг.1 не показаны), в количестве, достаточном для заполнения объема пор фитилей 13 и 22, резервуаров рабочей жидкости 25, 26, насосов 23, 24 и напорных трубопроводов 27, 28 с коллекторами 7 и 8, после чего корпус 1 МТТД устанавливают таким образом, чтобы испарительная камера 2 с испарительными гильзами 3 контактировала с горячей средой, а конденсационная камера 10 с конденсационными гильзами 21 - с холодной. В результате нагрева испарительных гильз 3 испарительной камеры 2 происходит испарение рабочей жидкости в канавках 6, находящейся в фитиле 5, который предотвращает образование паровой пленки на внутренней поверхности торца и таким образом интенсифицирует процесс испарения [6, с.22], образуется пар, создается давление в испарительной камере 2, полученный пар, проходя через перфорированный сепарационный элемент 11, освобождается от уносимых капель рабочей жидкости, которая отбрасывается на поверхность фитиля 5 и транспортируется им в испарительные гильзы 3, через паровое сопло 17 поступает на лопатки колеса силовой турбины 15, вращая его совместно с валом 14, который сообщает вращательное движение роторам питательных насосов 23 и 24 и вращающий момент М на рабочем конце вала 14, в результате чего в корпусе турбины 16 происходит изоэнтропное теплопадение пара с одновременным снижением его температуры и давления [3, с.331], после чего отработавший пар через патрубок мятого пара 18 попадает в конденсационную камеру 19 через распределительную секцию 20, где давление пара уменьшается еще в результате его дальнейшего расширения, откуда равномерно распределяется по конденсационным гильзам 21, конденсируется там за счет контакта наружной поверхности конденсационных гильз 21 с холодной средой, после чего образовавшийся конденсат всасывается подъемными фитилями 22 в поры фитиля 13, откуда под воздействием капиллярных сил и разрежения, создаваемого насосами 23 и 24, адиабатно [5, с.106] транспортируется в резервуары рабочей жидкости 25 и 26, откуда насосами 23 и 24 через напорные трубопроводы 27 и 28, коллекторы 7 и 8 и форсунки 9 под давлением, величина которого определяется рабочим давлением пара в испарительной камере 2, рабочая жидкость разбрызгивается по внутренней поверхности испарительных гильз 3, испаряется с поверхности канавок 6, в соответствии с вышеописанным процессом цикл повторяется. При этом парная установка питательных насосов 23 и 24, резервуаров 25 и 26, напорных трубопроводов 27 и 28 коллекторов 7 и 8 с форсунками 9 обусловлена необходимостью обеспечения равномерной нагрузки на фитиль 13 и равномерного распределения рабочей жидкости в испарительные гильзы 3.Before starting work, air is removed from the chambers 2, 9, 17 of the MTTD and the working fluid is pumped, which is selected depending on the temperature potential of cold and hot media, separately in the evaporation chamber 2 until the wick 5 is completely saturated and together in the working and condensation chambers 12 and 19, respectively (nozzles for removing air and supplying working fluid are not shown in FIG. 1), in an amount sufficient to fill the pore volume of wicks 13 and 22, reservoirs of working fluid 25, 26, pumps 23, 24 and pressure pipelines 27, 28 s Colle ctors 7 and 8, after which the MTTD case 1 is installed in such a way that the evaporation chamber 2 with the evaporation sleeves 3 is in contact with the hot medium, and the condensation chamber 10 with the condensation sleeves 21 is in cold contact. As a result of heating the evaporation sleeves 3 of the evaporation chamber 2, the working fluid evaporates in the grooves 6 located in the wick 5, which prevents the formation of a vapor film on the inner surface of the end face and thus intensifies the evaporation process [6, p.22], steam is generated, pressure is created in the evaporation chamber 2, the resulting steam passing through the perforated separation element 11 is freed from entrained drops of the working fluid, which is discarded on the surface of the wick 5 and transported by it in the vapor liners 3, through the steam nozzle 17 enters the wheel blades of the power turbine 15, rotating it together with the shaft 14, which communicates rotational motion to the rotors of the feed pumps 23 and 24 and torque M at the working end of the shaft 14, resulting in the turbine housing 16 isentropic heat loss of steam occurs with a simultaneous decrease in its temperature and pressure [3, p.331], after which the exhaust steam through the crushed steam pipe 18 enters the condensation chamber 19 through the distribution section 20, where the vapor pressure decreases as a result of After its further expansion, from where it is evenly distributed over the condensation sleeves 21, it condenses there by contacting the outer surface of the condensation sleeves 21 with a cold medium, after which the condensate formed is sucked up by the lifting wicks 22 into the pores of the wick 13, whence it is under the influence of capillary forces and vacuum created by the pumps 23 and 24, adiabatically [5, p. 106] is transported to the reservoirs of the working fluid 25 and 26, from where pumps 23 and 24 through pressure pipelines 27 and 28, manifolds 7 and 8 and nozzles 9 under pressure, which is determined on the working steam pressure in the evaporation chamber 2, the working liquid is sprayed on the inner surface of the liner of evaporator 3 evaporates from the surface of the grooves 6, according to the above process cycle is repeated. In this case, the pair installation of feed pumps 23 and 24, reservoirs 25 and 26, pressure pipelines 27 and 28 of the collectors 7 and 8 with nozzles 9 is due to the need to ensure uniform load on the wick 13 and uniform distribution of the working fluid in the evaporation sleeves 3.

Таким образом, конструкция предлагаемого МТТД обеспечивает возможность получения механической энергии за счет утилизации вторичных тепловых энергоресурсов различного потенциала (энергии сбросных вод, отходящих газов и т.д.), тепловых ресурсов природных источников (энергии солнца, воды и т.д.) в значительном количестве (на несколько порядков больше, чем в известном теплотрубном двигателе (ТТД) [2] за счет многократного увеличения площади контакта с горячей и холодной средами) при любой ориентации в пространстве, что позволяет использовать его в промышленных масштабах и обеспечивает его высокую эффективность в различных отраслях народного хозяйства.Thus, the design of the proposed MTTD provides the possibility of obtaining mechanical energy through the utilization of secondary thermal energy resources of various potentials (energy from waste water, exhaust gases, etc.), heat resources of natural sources (energy from the sun, water, etc.) quantity (several orders of magnitude greater than in the well-known heat pipe engine (TTD) [2] due to the multiple increase in the area of contact with hot and cold media) for any orientation in space, which allows you to use its industrial scale and ensures its high efficiency in various sectors of the economy.

ЛИТЕРАТУРАLITERATURE

1. А.с. №769038, Мкл. F01K 17/06, 1980.1. A.S. No. 769038, Ml. F01K 17/06, 1980.

2. Патент РФ №2287709, МПК F/01K 25/00, 2006.2. RF patent No. 2287709, IPC F / 01K 25/00, 2006.

3. И.Н.Сушкин. Теплотехника. - М.: Металлургия, 1973, 480 с.3. I.N.Sushkin. Heat engineering. - M.: Metallurgy, 1973, 480 p.

4. А.Н.Плановский, П.И.Николаев. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии. - М.: Химия, 1987, 496 с.4. A.N. Planovsky, P.I. Nikolayev. Processes and devices of chemical and petrochemical technology. - M.: Chemistry, 1987, 496 p.

5. В.В.Харитонов и др. Вторичные теплоэнергоресурсы и охрана окружающей среды. - Минск: Выш. школа, 1988, 170 с.5. V.V. Kharitonov et al. Secondary heat and energy resources and environmental protection. - Minsk: Ab. School, 1988, 170 p.

6. Тепловые трубы и теплообменники: от науки к практике. Сборник научн. трудов. М.: - 1990, 157 с.6. Heat pipes and heat exchangers: from science to practice. Collection of scientific labor. M .: - 1990, 157 p.

Claims

A multi-pipe engine containing one in one housing, sequentially connected to each other an evaporation chamber equipped with grooves and internally coated with a porous material (wick), separated from below by a blank partition, also covered with a wick with a perforated element, into which a pressure pipe with an injector in contact with hot medium, a working chamber filled with a wick, into which a cylindrical reservoir of working fluid is placed, a power turbine placed on one shaft, a feed pump a working body, a condensation chamber with a wick in contact with a cold medium, characterized in that the evaporation chamber is equipped with evaporation sleeves with grooves on the inner surface, formed by gaps between the wick strips connected by open ends with openings in the lid of the separation section, distribution manifolds with nozzles installed in the center of the entrance to each evaporation sleeve, perforated separation element, made in the form of a triangular prism, a working chamber with filled with two reservoirs of working fluid and two feed pumps, the condensation chamber is equipped with condensation sleeves connected by open ends to the bottom of the distribution section, the bottom of which, in turn, is connected by lifting wicks, passed through the center of each condensing sleeve without touching its walls, to the wick of the working cameras.