RU2379526C1

RU2379526C1 - Coaxial multi-tube engine

Info

Publication number: RU2379526C1
Application number: RU2008138481/06A
Authority: RU
Inventors: Владимир Сергеевич Ежов (RU); Владимир Сергеевич Ежов
Priority date: 2008-09-26
Filing date: 2008-09-26
Publication date: 2010-01-20

Abstract

FIELD: engines and pumps.

SUBSTANCE: proposed coaxial multi-heat pipe engine comprises evaporation and condensation chambers consisting of vertical shells with their inner surface coated with strips and grid made from porous material and wick, all having their open end faces connected to covers of appropriate distribution (separation) sections. Evaporation chamber separated, from below, by concave perforated entrainment separator, accommodates distributing manifold furnished with nozzles arranged at the evaporation shell centers. Evaporation and condensation chambers communicate, via O-ring, with working chamber housing coaxially mounted power turbines. The latter have the peripheral edges of their vanes rigidly attached to inner wall of said working chamber, along normal to said inner wall surface. Distributing manifold center accommodates cylindrical vessel and feed pump communicated with distributing manifold of evaporation chamber.

EFFECT: higher efficiency.

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 механическую.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 mechanical.

Известен преобразователь тепловой энергии в механическую, содержащий последовательно расположенные испарительную камеру, находящуюся в контакте с горячей средой, рабочую камеру, внутри которой устроены коаксиально друг за другом силовые турбины, жестко закрепленные периферийными кромками лопастей к внутренней поверхности стенки рабочей камеры по нормали к ней, конденсационную камеру, находящуюся в контакте с холодной средой, питательный насос [1].A known converter of thermal energy into mechanical energy, comprising a sequentially located evaporation chamber in contact with a hot medium, a working chamber, inside which power turbines are arranged coaxially one after another, are rigidly fixed by the peripheral edges of the blades to the inner surface of the working chamber wall normal to it, condensation a chamber in contact with a cold medium, a feed pump [1].

Основными недостатками известного преобразователя тепловой энергии в механическую являются невозможность утилизации низкопотенциальных вторичных и природных тепловых энергоресурсов, 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 converter of thermal energy into mechanical energy are the inability to utilize low-potential secondary and natural thermal energy resources, the bulkiness of the structure and the inability to work when changing the orientation in space, which narrows its scope and ultimately reduces its effectiveness.

Более близким к предлагаемому изобретению является коаксиальный теплотрубный двигатель, который содержит последовательно расположенные испарительную камеру, находящуюся в контакте с горячей средой, снабженную каплеотбойником, внутренние боковые стенки ее покрыты фитилем, соединенным с решеткой, выполненной из тонкого слоя пористого материала, покрывающей внутреннюю поверхность торцевой стенки, рабочую камеру, выполненную в форме цилиндрической трубы с кольцевым буртиком и винтом на наружной поверхности, внутри ее устроены коаксиально друг за другом силовые турбины, жестко закрепленные периферийными кромками лопастей к внутренней поверхности стенки рабочей камеры по нормали к ней, конденсационную камеру, соединенную с рабочей камерой через кольцевое уплотнение, состоящую из обоймы, закрывающей винтовую поверхность рабочей камеры, образуя питательный насос, и конденсационной зоны, внутренние боковые стенки которой покрыты фитилем, соединенным с решеткой, выполненной из тонкого слоя пористого материала, покрывающей внутреннюю поверхность торцевой стенки, причем конденсационная камера соединена с испарительной через питательный насос напорным трубопроводом, снабженным на конце форсункой.Closer to the proposed invention is a coaxial heat pipe engine, which contains a sequentially located evaporation chamber in contact with a hot medium, equipped with a droplet eliminator, its inner side walls are covered with a wick connected to a grating made of a thin layer of porous material covering the inner surface of the end wall , a working chamber made in the form of a cylindrical pipe with an annular collar and a screw on the outer surface, coaxia are arranged inside it But one after the other, power turbines rigidly fixed by the peripheral edges of the blades to the inner surface of the working chamber wall normal to it, a condensation chamber connected to the working chamber through an annular seal, consisting of a cage covering the screw surface of the working chamber, forming a feed pump, and a condensation zones, the inner side walls of which are covered with a wick connected to a grid made of a thin layer of porous material covering the inner surface of the end wall, the condensation chamber is connected to the evaporator via a feed pump discharge conduit, equipped at the end of the nozzle.

Основными недостатками известного коаксиального теплотрубного двигателя являются размещение ротора насоса на наружной поверхности корпуса, что затрудняет увязку его параметров (напора, производительности и т.д.) с мощностью устройства, незначительная площадь контакта с горячей и холодной средами и обусловленная этим малая мощность (меньше 1 кВт), что ограничивает область его применения при утилизации низкопотенциального тепла вторичных и природных источников в промышленных масштабах и снижает его эффективность.The main disadvantages of the known coaxial heat pipe engine are the location of the pump rotor on the outer surface of the housing, which makes it difficult to link its parameters (pressure, capacity, etc.) with the power of the device, a small contact area with hot and cold environments and the resulting low power (less than 1 kW), which limits its scope for the utilization of low-grade heat from secondary and natural sources on an industrial scale and reduces its effectiveness.

Техническим результатом, на решение которого направлено предлагаемое изобретение, является увеличение мощности коаксиального 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 present invention is directed, is to increase the power of a coaxial 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.

Поставленная задача реализуется в коаксиальном мультитеплотрубном двигателе (КМТТД), который содержит последовательно расположенные испарительную камеру, находящуюся в контакте с горячей средой, состоящую из вертикальных испарительных гильз, внутренняя боковая поверхность которых покрыта тонкими полосами пористого материала, образующими между собой канавки, а торца - решеткой из таких же полос, соединенных открытым торцом с крышкой сепарационной секции с внутренней поверхностью, покрытой полосами того же пористого материала, в которой расположен распределительный коллектор, снабженный форсунками, размещенными в центре входа в испарительные гильзы, отделенную снизу каплеотбойником, выполненным в виде вогнутого перфорированного щита, с поверхностью боковых стенок, покрытой фитилем и соединенной через кольцевое уплотнение с рабочей камерой, выполненной в форме цилиндрической трубы, соединенной снаружи с рабочим органом, внутри которой устроены коаксиально друг за другом силовые турбины, жестко закрепленные периферийными кромками лопастей к внутренней поверхности стенки рабочей камеры по нормали к ней, которая соединена через кольцевое уплотнение с конденсационной камерой, состоящей из цилиндрической распределительной секции, днище которой покрыто массивом фитиля с отверстиями и выполнено с отверстиями, к которым присоединены открытыми торцами вертикальные конденсационные гильзы с внутренней боковой поверхностью, покрытой полосами, а торца - решеткой из полос пористого материала, образующих между собой канавки и соединенных с массивом фитиля, в центре которого устроен цилиндрический резервуар с перфорированными стенками и питательный насос, ротор которого насажен на вал, жестко соединенный с осью силовой турбины, а напорный трубопровод - с распределительным коллектором в испарительной камере.The task is realized in a coaxial multi-tube engine (KMTTD), which contains a sequentially located evaporation chamber in contact with a hot medium, consisting of vertical evaporation sleeves, the inner side surface of which is covered with thin strips of porous material that form grooves between each other, and the end face with a grating of the same strips connected by an open end to the cover of the separation section with an inner surface covered with strips of the same porous material, in which the distribution manifold is located, equipped with nozzles located in the center of the entrance to the evaporation shells, separated from below by a drop eliminator made in the form of a concave perforated shield, with a side wall surface covered with a wick and connected through an annular seal to a working chamber made in the form of a cylindrical pipe connected outside with a working body, inside of which power turbines are arranged coaxially one after another, rigidly fixed by the peripheral edges of the blades to the inner surface and the walls of the working chamber normal to it, which is connected through an annular seal to a condensation chamber consisting of a cylindrical distribution section, the bottom of which is covered with an array of wicks with openings and made with openings to which vertical condensation sleeves with an inner side surface coated with open ends are connected stripes, and the end - a lattice of strips of porous material, forming grooves between themselves and connected to the wick array, in the center of which a cylindrical reserve is arranged a bar with perforated walls and a feed pump, the rotor of which is mounted on a shaft, rigidly connected to the axis of the power turbine, and the pressure pipe with a distribution manifold in the evaporation chamber.

На фиг.(1-7) представлен предлагаемый коаксиальный мультитеплотрубный двигатель (КМТТД).In Fig. (1-7) presents the proposed coaxial multi-tube engine (KMTTD).

КМТТД содержит расположенные по ходу движения пара: испарительную камеру 1, состоящую из вертикальных испарительных гильз 2, внутренняя боковая поверхность которых покрыта полосами, а торца - решеткой из полос пористого материала 3, образующих между собой канавки 4 и соединенных открытым торцом с крышкой сепарационной секции 5 с внутренней поверхностью, также покрытой полосами того же фитиля 3, в которой расположен распределительный коллектор 6, снабженный форсунками 7, размещенными в центре входа в испарительные гильзы 2, отделенную снизу каплеотбойником, выполненным в виде вогнутого перфорированного щита 8, с поверхностью боковых стенок, покрытой фитилем 9 и соединенной через кольцевое уплотнение 10 с рабочей камерой 11. Камера 11 выполнена в форме цилиндрической трубы, соединенной снаружи с рабочим органом (не показан), внутри которой устроены коаксиально друг за другом силовые турбины 12, 13, жестко закрепленные периферийными кромками лопастей к внутренней поверхности стенки рабочей камеры 11 по нормали к ней, и соединена с конденсационной камерой 14 через кольцевое уплотнение 15. Конденсационная камера 14 состоит из цилиндрической распределительной секции 16, днище которой покрыто массивом фитиля 17 с отверстиями и выполнено с отверстиями, к которым присоединены открытыми торцами вертикальные конденсационные гильзы 18, с внутренней боковой поверхностью, покрытой решеткой из полос пористого материала 3, образующих между собой канавки 4, торца - решеткой из того же материала, и соединенных с массивом фитиля 17. В центре фитиля 17 устроен цилиндрический резервуар с перфорированными стенками 19, в котором помещен питательный насос 20, ротор которого насажен на вал 21, жестко соединенный с осью силовой турбины 13, а напорный трубопровод 22 - с распределительным коллектором 6.KMTTD contains located along the direction of steam: the evaporation chamber 1, consisting of vertical evaporation sleeves 2, the inner side surface of which is covered with stripes, and the end face is a lattice of strips of porous material 3, forming grooves 4 between them and connected by an open end to the cover of the separation section 5 with an inner surface also covered with strips of the same wick 3, in which the distribution manifold 6 is located, equipped with nozzles 7 located at the center of the entrance to the evaporation sleeves 2, separated from the bottom to aplet-baffle made in the form of a concave perforated shield 8, with the surface of the side walls covered with a wick 9 and connected through an annular seal 10 to the working chamber 11. The chamber 11 is made in the form of a cylindrical pipe connected externally to a working body (not shown), inside of which are arranged co-axially successive power turbines 12, 13, rigidly fixed by the peripheral edges of the blades to the inner surface of the wall of the working chamber 11 normal to it, and connected to the condensation chamber 14 through an annular seal 15. The condensation chamber 14 consists of a cylindrical distribution section 16, the bottom of which is covered with an array of wick 17 with holes and made with holes to which the vertical condensation sleeves 18 are connected with open ends, with an inner side surface covered with a lattice of strips of porous material 3 forming between a groove 4, the end - a grid of the same material, and connected to the mass of the wick 17. In the center of the wick 17 there is a cylindrical tank with perforated walls 19, in which the feeder is placed The pump is 20, which is planted on the rotor shaft 21 is fixedly coupled to the power turbine axis 13 and the discharge conduit 22 - to the distribution manifold 6.

В основе работы предлагаемого КМТТД 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], устройство и принцип действия винтового насоса [4, с.347] и высокая эффективность передачи теплоты в тепловых трубах, 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 т.д. [5, с.106].The work of the proposed KMTTD is based on the main cycle of a 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], the device and principle of operation of a screw pump [4, p. 347 ] and high efficiency of heat transfer in heat pipes, which are divided into three sections: the evaporation zone (heat supply), the adiabatic zone (heat transfer) and the condensation zone (heat removal), covered from the inside with a wick and partially filled with whose liquid is a carrier of heat, which is used as water, alcohols, freons, liquid metals, etc. [5, p.106].

Предлагаемый КМТТД работает следующим образом.The proposed KMTTD works as follows.

Предварительно на открытом участке наружной поверхности рабочей камеры 11 монтируют ротор (не показан), жестко соединяя его с камерой 11 и неподвижной частью рабочего органа (например, электрогенератора, насоса, компрессора и т.д.). Перед началом работы из камер 1, 11, 14 КМТТД удаляют воздух и заполняют фитили 9, 18, пористый материал полос и решеток 3, цилиндрический резервуар 19, полость питательного насоса 20, напорный трубопровод 22 и коллектор 6 рабочей жидкостью, которую выбирают в зависимости от температурного потенциала холодной и горячей сред (штуцера для удаления воздуха и подачи рабочей жидкости не показаны), после чего КМТТД устанавливают таким образом, чтобы испарительная камера 1 контактировала с горячей средой, а конденсационная камера 14 - с холодной, и жестко фиксируют их. В результате нагрева испарительных гильз 2 испарительной камеры 1 происходит испарение рабочей жидкости с внутренней поверхности испарительных гильз 2, причем пористый материал полос и решетки 3 предотвращает образование паровой пленки на внутренней поверхности стенки и, таким образом, интенсифицирует процесс испарения [6, с.22], образуется пар с давлением, равным давлению, развиваемому питательным насосом 20, который, проходя через вогнутый перфорированный сепарационный щит 8, освобождается от уносимых капель рабочей жидкости, которые отбрасываются на фитиль 9 и пористый материал 3, поглощающие эти капли и снова транспортирующие их в зону испарения. Очищенный пар поступает в рабочую камеру 11 на лопатки последовательно расположенных силовых турбин 12, 13, вращая их совместно с корпусом рабочей камеры 11, и соответственно сообщает вращательное движение ротору питательного насоса 20 и вращающий момент М ротору рабочего органа, в результате чего питательный насос 20 перемещает рабочую жидкость и создает требуемое давление в ней, а рабочий орган производит полезную работу. В полости вращающейся рабочей камеры 11 происходит изоэнтропное теплопадение пара с одновременным снижением его температуры и давления [3, с.331], после чего отработавший мятый пар поступает в неподвижную конденсационную камеру 14, давление в которой значительно меньше, чем в испарительной камере 1. Пар конденсируется в конденсационных гильзах 18 за счет контакта их наружной поверхности с холодной средой, после чего образовавшийся конденсат рабочей жидкости всасывается пористым материалом полос и решетки 3, фитилем 18 и под воздействием капиллярных сил и разрежения поступает во всасывающее отверстие насоса 20. Далее рабочая жидкость через напорный трубопровод 22, коллектор 6 и форсунки 7 под давлением, создаваемым насосом 20, величина которого определяет рабочее давление пара в испарительной камере 1, разбрызгивается по внутренней поверхности испарительных гильз 2, где происходит вышеописанный процесс испарения, после чего образовавшийся пар освобождается от капель рабочей жидкости на щите 8 и цикл повторяется.Previously, a rotor (not shown) is mounted on an open area of the outer surface of the working chamber 11, rigidly connecting it to the chamber 11 and the fixed part of the working body (for example, an electric generator, pump, compressor, etc.). Before starting work, air is removed from the KMTTD chambers 1, 11, 14 and the wicks 9, 18 are filled, the porous material of the strips and gratings 3, the cylindrical tank 19, the cavity of the feed pump 20, the pressure pipe 22, and the manifold 6 are selected with a working fluid, which temperature potential of cold and hot environments (nozzles for removing air and supplying working fluid are not shown), after which KMTTD is installed so that the evaporation chamber 1 is in contact with the hot medium, and the condensation chamber 14 is in cold and hard siruyut them. As a result of heating the evaporation sleeves 2 of the evaporation chamber 1, the working fluid evaporates from the inner surface of the evaporation sleeves 2, and the porous material of the strips and grating 3 prevents the formation of a vapor film on the inner surface of the wall and, thus, intensifies the evaporation process [6, p.22] steam is formed with a pressure equal to the pressure developed by the feed pump 20, which, passing through the concave perforated separation shield 8, is freed from entrained drops of the working fluid, which asyvayutsya to the wick 9 and the porous material 3, the droplets absorbing and transporting them again into the evaporation zone. The cleaned steam enters the working chamber 11 on the blades of successive power turbines 12, 13, rotating them together with the housing of the working chamber 11, and accordingly reports the rotational movement to the rotor of the feed pump 20 and the torque M to the rotor of the working body, as a result of which the feed pump 20 moves working fluid and creates the required pressure in it, and the working body produces useful work. In the cavity of the rotating working chamber 11, isentropic heat loss of steam occurs with a simultaneous decrease in its temperature and pressure [3, p.331], after which the spent crushed steam enters the stationary condensation chamber 14, the pressure of which is much less than in the evaporation chamber 1. Steam it condenses in the condensation sleeves 18 due to the contact of their outer surface with a cold medium, after which the formed condensate of the working fluid is absorbed by the porous material of the strips and grating 3, wick 18 and under the influence of droplets of force and rarefaction enters the suction port of the pump 20. Next, the working fluid through the pressure pipe 22, the manifold 6 and the nozzle 7 under the pressure created by the pump 20, the value of which determines the working pressure of the vapor in the evaporation chamber 1, is sprayed on the inner surface of the evaporation sleeves 2, where the above evaporation process takes place, after which the formed vapor is freed from drops of working fluid on the shield 8 and the cycle repeats.

Как следует из описания работы устройства, мощность КМТТД можно увеличивать путем увеличения количества испарительных 2 и конденсационных 18 гильз, число которых теоретически может быть сколь угодно большим и практически ограничено лишь конструктивными и технологическими соображениями. Соответственно максимальная мощность КМТТД может быть также очень значительной.As follows from the description of the operation of the device, the power of KMTTD can be increased by increasing the number of evaporative 2 and condensation 18 sleeves, the number of which can theoretically be arbitrarily large and practically limited only by structural and technological considerations. Accordingly, the maximum power of KMTTD can also be very significant.

Таким образом, предлагаемый КМТТД позволяет значительно увеличить количество механической и электрической энергии, получаемой за счет утилизации вторичных и природных тепловых энергоресурсов различного потенциала, что обеспечивает его высокую эффективность.Thus, the proposed KMTTD allows to significantly increase the amount of mechanical and electrical energy obtained by utilizing secondary and natural thermal energy resources of various potentials, which ensures its high efficiency.

ЛИТЕРАТУРАLITERATURE

1. А.с. СССР №2056606 F28D 15/02, 1981.1. A.S. USSR No. 2056606 F28D 15/02, 1981.

2. Патент РФ №2320878 F01K 17/00, 2008.2. RF patent No. 2320878 F01K 17/00, 2008.

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

4. Т.М. Башта др. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы. - М.: Машиностр., 1982, 424 с.4. T.M. Tower other. Hydraulics, hydraulic machines and hydraulic drives. - M.: Mashinostr., 1982, 424 p.

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

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

Claims

Coaxial multitep tube engine containing a sequentially located evaporation chamber in which an nozzle is connected, connected to a pressure pipe, and a droplet eliminator, the inner surface is covered with a grid of a thin layer of porous material in contact with a hot medium, connected through an annular seal to a working chamber made in in the form of a cylindrical pipe connected externally to the working body, inside of which power turbines are arranged coaxially one after another, rigidly fixed to the peripheral edges of the blades to the inner surface of the wall of the working chamber normal to it, which is connected through an annular seal to a condensation chamber, the inner surface of which is also covered with a grid of a thin layer of porous material in contact with a cold medium, a feed pump, characterized in that the evaporative the chamber consists of vertical evaporation sleeves, with the inner surface of the side walls covered with strips of a thin layer of porous material, forming grooves between each other, and t Ortsa — by a lattice of the same strips, and connected by an open end to the lid of the separation section with an inner surface also covered with strips of porous material, in which a distribution manifold is located, equipped with nozzles located in the center of the entrance to the evaporation sleeves, separated from the working chamber from below by a drop eliminator made in the form of a concave perforated shield with the surface of the side walls covered with a wick, the condensation chamber consists of a cylindrical distribution section, the bottom of which is covered about an array of wick with holes and made with holes to which vertical condensation sleeves are attached with open ends with the inner surface of the side walls covered with strips forming grooves between each other, and the ends with a grating of porous material, and connected to the wick array, in the center of which is arranged a cylindrical tank with perforated walls, in which a feed pump is placed, the rotor of which is mounted on a shaft, rigidly connected to the axis of the power turbine, and the pressure pipe to the distribution m collector in the evaporation chamber.