RU2755014C1 - Combined regenerative heat exchanger of stirling engine - Google Patents

Combined regenerative heat exchanger of stirling engine Download PDF

Info

Publication number
RU2755014C1
RU2755014C1 RU2020123956A RU2020123956A RU2755014C1 RU 2755014 C1 RU2755014 C1 RU 2755014C1 RU 2020123956 A RU2020123956 A RU 2020123956A RU 2020123956 A RU2020123956 A RU 2020123956A RU 2755014 C1 RU2755014 C1 RU 2755014C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
tube
heat exchanger
nozzles
nozzle
regenerative heat
Prior art date
Application number
RU2020123956A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Юрий Александрович Антипов
Сергей Владимирович Смирнов
Дмитрий Андреевич Соколов
Хассан Халифе
Мальдонадо Пабло Рамон Вальехо
Original Assignee
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Российский университет дружбы народов" (РУДН)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Российский университет дружбы народов" (РУДН) filed Critical федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Российский университет дружбы народов" (РУДН)
Priority to RU2020123956A priority Critical patent/RU2755014C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2755014C1 publication Critical patent/RU2755014C1/en

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/14—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the cycle used, e.g. Stirling cycle

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Heat-Exchange Devices With Radiators And Conduit Assemblies (AREA)

Abstract

FIELD: power engineering.SUBSTANCE: invention relates to power engineering and can be used in Stirling engines containing a regenerative heat exchanger. The heat-insulating body of the regenerative heat exchanger of a Stirling engine is made with two branch pipes connected to a heater and a refrigerator, respectively. At least two nozzles located in series between the branch pipes are located inside the body. Each nozzle is made in form of a tube with tightly sealed ends, wherein each tube contains filler. The melting point of the filler of each nozzle increases accordingly in the direction from the branch pipe of the refrigerator to the branch pipe of the heater. The transverse profile of the wall of each tube is made oval, each tube is bent into a spiral shape, wherein the major axis of the oval is oriented in the direction of the axis of the spiral.EFFECT: increased heat capacity of the nozzles.1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к энергомашиностроению и может применяться в двигателях Стирлинга, содержащих регенеративный теплообменник.The invention relates to power engineering and can be used in Stirling engines containing a regenerative heat exchanger.

Известен комбинированный регенеративный теплообменник микрокриогенной системы для охлаждения в температурном диапазоне до 70К, включающий теплоизоляционный корпус, находящуюся внутри корпуса насадку из плетеной металлической сетки, при этом насадок состоит из трех частей, каждая из которых выполнена из металла с максимальной объемной теплоемкостью в своем диапазоне температур: - «холодная» часть насадки регенеративного теплообменника изготовлена из материала с объемной теплоемкостью СVH>2,02⋅106 Дж/м3К в диапазоне температур 70-90К, при этом длина «холодной» части составляет lх=0,087⋅L, где L - общая длина регенератора; - «средняя» часть - из материала с объемной теплоемкостью СVH>3,0⋅106 Дж/м3К в диапазоне температур от 90К до 210К, при этом длина «средней» части составляет lc=0,522⋅L; - «теплая» часть - из материала с объемной теплоемкостью СVH>3,72⋅106 Дж/м3К в диапазоне температур от 210К до 300К, при этом длина «теплая» части составляет lт=0,391⋅L [Патент на полезную модель RU 176892]. Общими признаками заявленного изобретения с наиболее близким аналогом являются комбинированный регенеративный теплообменник двигателя Стирлинга, содержащий теплоизоляционный корпус с двумя патрубками, подключенными соответственно к нагревателю и холодильнику и находящиеся внутри корпуса по меньшей мере два насадка, последовательно расположенные между патрубками нагревателя и холодильник. Недостатком данного комбинированного регенеративного теплообменника двигателя Стирлинга является несовершенство термодинамического цикла и высокие потери теплоты из-за недорекуперации регенеративного теплообменника вследствие недостаточной объемной теплоемкости насадков.Known is a combined regenerative heat exchanger of a microcryogenic system for cooling in a temperature range of up to 70K, including a heat-insulating body, a nozzle made of a woven metal mesh inside the body, and the nozzle consists of three parts, each of which is made of metal with a maximum volumetric heat capacity in its temperature range: - "cold" part of the nozzle of the regenerative heat exchanger is made of a material with a volumetric heat capacity C VH> 2,02⋅10 6 J / m 3 K in the temperature range of 70-90K, wherein the length of the "cold" portion is l x = 0,087⋅L, where L is the total length of the regenerator; - the “middle” part is made of material with a volumetric heat capacity C VH > 3.0⋅10 6 J / m 3 K in the temperature range from 90K to 210K, while the length of the “middle” part is l c = 0.522⋅L; - "warm" part - from a material with a volumetric heat capacity C VH > 3.72⋅10 6 J / m 3 K in the temperature range from 210K to 300K, while the length of the “warm” part is l t = 0.391⋅L [Patent for utility model RU 176892]. The general features of the claimed invention with the closest analogue are a combined regenerative heat exchanger of a Stirling engine containing a heat-insulating body with two pipes connected to a heater and a refrigerator, respectively, and at least two nozzles located inside the body, located in series between the pipes of the heater and the refrigerator. The disadvantage of this combined regenerative heat exchanger of the Stirling engine is the imperfection of the thermodynamic cycle and high heat losses due to underrecovery of the regenerative heat exchanger due to insufficient volumetric heat capacity of the nozzles.

Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является устранение указанных выше недостатков прототипа.The problem to be solved by the claimed invention is to eliminate the above disadvantages of the prototype.

Технический результат заключается в повышении эффективности работы двигателя Стирлинга путем повышения теплоемкости насадков и, как следствие, к повышению рекуперативной способности регенеративного теплообменника.The technical result consists in increasing the efficiency of the Stirling engine by increasing the heat capacity of the nozzles and, as a consequence, increasing the recuperative capacity of the regenerative heat exchanger.

Технический результат достигается за счет того, что в комбинированном регенеративном теплообменнике двигателя Стирлинга, содержащем теплоизоляционный корпус с двумя патрубками, подключенными соответственно к нагревателю и холодильнику, и находящиеся внутри корпуса по меньшей мере два насадка, последовательно расположенные между патрубками, каждый насадок выполнен в виде трубки с герметично закрытыми концами, при этом внутри каждой трубки содержится наполнитель, причем температура плавления наполнителя каждого насадка соответственно возрастает в направлении от патрубка холодильника к патрубку нагревателя, а поперечный профиль стенки каждой трубки выполнен в форме овала, каждая трубка изогнута в виде спирали, при этом большая ось овала ориентирована в направлении оси спирали.The technical result is achieved due to the fact that in the combined regenerative heat exchanger of the Stirling engine, containing a heat-insulating body with two pipes connected to a heater and a refrigerator, respectively, and at least two nozzles located inside the body, sequentially located between the nozzles, each nozzle is made in the form of a tube with hermetically sealed ends, while each tube contains a filler, and the melting temperature of the filler of each nozzle correspondingly increases in the direction from the refrigerator branch pipe to the heater branch pipe, and the transverse profile of the wall of each tube is made in the form of an oval, each tube is bent in the form of a spiral, while the major axis of the oval is oriented in the direction of the spiral axis.

Изобретение поясняется чертежом, где на фигуре 1 показан продольный разрез комбинированного регенеративного теплообменника двигателя Стирлинга, на фигуре 2 - фрагмент поперечного разреза трубки спирали с наполнителем.The invention is illustrated by drawing, where figure 1 shows a longitudinal section of a combined regenerative heat exchanger of a Stirling engine, figure 2 is a fragment of a cross-section of a spiral tube with a filler.

Заявленный комбинированный регенеративный теплообменник двигателя Стирлинг содержит теплоизоляционный корпус 1 с двумя патрубками 2 и 3. Патрубок 2 подключен к нагревателю, а патрубок 3 подключен к холодильнику (на фиг. 1 не показано). Внутри корпуса 1 размещены два насадка 4 и 5, последовательно расположенные между патрубками 3 и 2. Каждый насадок 4 и 5 может быть выполнены в виде трубки 6 из материала никель диаметром 1 мм и толщиной стенки 0.1 мм с герметично закрытыми концами. Внутренняя полость трубки 6 насадка 4 содержит наполнитель 7, выполненный из олова (Sn) с температурой плавления 231,9°С. Насадок 5 содержит наполнитель 7, выполненный из цинка (Zn) с температурой плавления 419,5°С, что выше температуры плавления наполнителя, выполненного из олова. Поперечный профиль стенки каждой трубки 6 выполнен в форме овала, каждая трубка (6) изогнута в виде спирали, при этом большая ось f-f овала ориентирована в направлении оси g-g спирали.The claimed combined regenerative heat exchanger of the Stirling engine contains a heat-insulating body 1 with two pipes 2 and 3. The pipe 2 is connected to the heater, and the pipe 3 is connected to the refrigerator (not shown in Fig. 1). Inside the body 1, there are two nozzles 4 and 5, which are sequentially located between the nozzles 3 and 2. Each nozzle 4 and 5 can be made in the form of a tube 6 made of nickel material with a diameter of 1 mm and a wall thickness of 0.1 mm with hermetically sealed ends. The inner cavity of the tube 6 of the nozzle 4 contains a filler 7 made of tin (Sn) with a melting point of 231.9 ° C. The packing 5 contains a filler 7 made of zinc (Zn) with a melting point of 419.5 ° C, which is higher than the melting temperature of the filler made of tin. The transverse profile of the wall of each tube 6 is made in the form of an oval, each tube (6) is bent in the form of a spiral, while the major axis f-f of the oval is oriented in the direction of the axis g-g of the spiral.

Устройство работает следующим образом.The device works as follows.

Во время работы двигателя Стирлинга температура нагревателя равна 500°С, а холодильника - 200°С. Рабочее тело с температурой 500°С через патрубок 2 проходит в насадке 5 между трубок 6, заполненными цинком (Zn). При этом цинк вначале нагревается от температуры 326°С, равной средней температуры между температурами плавления цинка (419,5°С) и олова (Sn) (231,7С), до температуры плавления цинка, затем происходит плавление цинка, далее расплавленный цинк нагревается до температуры 500°С. На выходе из насадка 5 температура рабочего тела снижается до 326°С. Далее рабочее тело с температурой 326°С проходит в насадке 4 между трубок 6, заполненными оловом (Sn). При этом олово вначале нагревается от температуры 200°С, до температуры плавления олова, затем происходит плавление олова, далее расплавленное олово нагревается до температуры 326°С.During the operation of the Stirling engine, the temperature of the heater is 500 ° C, and the temperature of the refrigerator is 200 ° C. The working fluid with a temperature of 500 ° C through the nozzle 2 passes in the nozzle 5 between the tubes 6 filled with zinc (Zn). In this case, zinc first heats up from a temperature of 326 ° C, equal to the average temperature between the melting points of zinc (419.5 ° C) and tin (Sn) (231.7 C), to the melting point of zinc, then zinc melts, then the molten zinc is heated up to a temperature of 500 ° C. At the outlet of the nozzle 5, the temperature of the working fluid drops to 326 ° C. Further, the working fluid with a temperature of 326 ° C passes in the nozzle 4 between the tubes 6 filled with tin (Sn). In this case, the tin is first heated from a temperature of 200 ° C, to the melting point of tin, then the tin melts, then the molten tin is heated to a temperature of 326 ° C.

Оценить эффективность предложенного технического решения по сравнению с прототипом можно следующим образом, рассмотрев характеристики материалов насадок 4 и 5 регенератора. Приведенная теплоемкость насадка 5 в диапазоне температур 500°С - 326°С находится по формуле:The effectiveness of the proposed technical solution in comparison with the prototype can be assessed as follows, considering the characteristics of the materials of the nozzles 4 and 5 of the regenerator. The reduced heat capacity of the packing 5 in the temperature range 500 ° С - 326 ° С is found by the formula:

Figure 00000001
Figure 00000001

Figure 00000002
Figure 00000002

Figure 00000003
Figure 00000003

Figure 00000004
- удельная теплоемкость никеля,
Figure 00000004
- specific heat capacity of nickel,

Figure 00000005
Figure 00000005

где d=0,1 см - диаметр трубки, δ=0,005 см,

Figure 00000006
- длина трубки, p=9,8 г/см3 - удельная плотность никеля,
Figure 00000007
- удельная теплота плавления цинка,where d = 0.1 cm is the tube diameter, δ = 0.005 cm,
Figure 00000006
- tube length, p = 9.8 g / cm 3 - specific density of nickel,
Figure 00000007
- specific heat of fusion of zinc,

Figure 00000008
- удельная теплоемкость жидкой фазы цинка,
Figure 00000009
Дж/г к - удельная теплоемкость твердой фазы цинка,
Figure 00000008
- specific heat of the liquid phase of zinc,
Figure 00000009
J / g k is the specific heat of the solid phase of zinc,

Figure 00000010
- удельная плотность цинка,
Figure 00000010
- specific gravity of zinc,

mΣ1=mNi+mZn, где mNi, mZn и mSn - масса соответственно никеля, цинка и олова на участке трубки длинной

Figure 00000011
m Σ1 = m Ni + m Zn , where m Ni , m Zn and m Sn are the mass of nickel, zinc and tin, respectively, in a section of a tube with a long
Figure 00000011

Приведенная теплоемкость насадка (4) в диапазоне температур 326°С - 200°С находится по формуле:The reduced heat capacity of the packing (4) in the temperature range 326 ° C - 200 ° C is found by the formula:

Figure 00000012
Figure 00000012

Figure 00000013
Figure 00000013

Figure 00000014
Figure 00000014

Figure 00000015
- удельная теплота плавления олова,
Figure 00000015
- specific heat of fusion of tin,

Figure 00000016
- удельная теплоемкость жидкой фазы олова,
Figure 00000016
- specific heat of the liquid phase of tin,

Figure 00000017
- удельная теплоемкость твердой фазы олова,
Figure 00000017
- specific heat of the solid phase of tin,

Figure 00000018
где pSn=7,1 г/см3 - удельная плотность олова,
Figure 00000018
where p Sn = 7.1 g / cm 3 is the specific density of tin,

mΣ2=mNi+mSn.m Σ2 = m Ni + m Sn .

В связи с тем, что в момент фазового перехода из твердой фазы в жидкую фазу происходит объемное расширение цинка

Figure 00000019
а олова - 0,034, то в целях уменьшения напряжения на стенке трубки (6) она выполнен в форме овала, изогнута в виде спирали, при этом большая ось f-f овала ориентирована в направлении оси g-g спирали.Due to the fact that at the time of the phase transition from the solid phase to the liquid phase, there is a volumetric expansion of zinc
Figure 00000019
and tin - 0.034, then in order to reduce the stress on the wall of the tube (6) it is made in the form of an oval, bent in the form of a spiral, while the major axis ff of the oval is oriented in the direction of the axis gg of the spiral.

Таким образом, применение в качестве насадка 5 трубок 6, заполненными цинком (Zn) вместо проволоки диаметром 1 мм, позволяет снизить потери регенератора из-за недорекуперации в

Figure 00000020
раз, а насадка 4, заполненного оловом (Sn), соответственно в
Figure 00000021
раз, где θ1 и θ2 - коэффициенты эффективности соответственно насадок 5 и 4, что привело к повышению эффективности работы двигателя Стирлинга.Thus, the use of 5 tubes 6 filled with zinc (Zn) instead of a wire with a diameter of 1 mm as a packing makes it possible to reduce losses of the regenerator due to underrecovery in
Figure 00000020
times, and nozzle 4 filled with tin (Sn), respectively, in
Figure 00000021
times, where θ 1 and θ 2 are the efficiency coefficients of nozzles 5 and 4, respectively, which led to an increase in the efficiency of the Stirling engine.

Claims (1)

Комбинированный регенеративный теплообменник двигателя Стирлинга, содержащий теплоизоляционный корпус с двумя патрубками, подключенными соответственно к нагревателю и холодильнику, и находящиеся внутри корпуса по меньшей мере два насадка, последовательно расположенные между патрубками, отличающийся тем, что каждый насадок выполнен в виде трубки с герметично закрытыми концами, при этом внутри каждой трубки содержится наполнитель, при этом температура плавления наполнителя каждого насадка соответственно возрастает в направлении от патрубка холодильника к патрубку нагревателя, поперечный профиль стенки каждой трубки выполнен в форме овала, каждая трубка изогнута в виде спирали, при этом большая ось овала ориентирована в направлении оси спирали.A combined regenerative heat exchanger of a Stirling engine, comprising a heat-insulating body with two nozzles connected to a heater and a refrigerator, respectively, and at least two nozzles located inside the case, sequentially located between the nozzles, characterized in that each nozzle is made in the form of a tube with hermetically sealed ends, at the same time, a filler is contained inside each tube, while the melting temperature of the filler of each nozzle correspondingly increases in the direction from the refrigerator branch pipe to the heater branch pipe, the transverse profile of the wall of each tube is made in the form of an oval, each tube is bent in the form of a spiral, while the major axis of the oval is oriented in the direction of the axis of the spiral.
RU2020123956A 2020-07-20 2020-07-20 Combined regenerative heat exchanger of stirling engine RU2755014C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020123956A RU2755014C1 (en) 2020-07-20 2020-07-20 Combined regenerative heat exchanger of stirling engine

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020123956A RU2755014C1 (en) 2020-07-20 2020-07-20 Combined regenerative heat exchanger of stirling engine

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2755014C1 true RU2755014C1 (en) 2021-09-09

Family

ID=77670307

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020123956A RU2755014C1 (en) 2020-07-20 2020-07-20 Combined regenerative heat exchanger of stirling engine

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2755014C1 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2079066C1 (en) * 1994-05-17 1997-05-10 Григорий Васильевич Шпырин Regenerator for stirling cycle refrigerating machine
US6745822B1 (en) * 1998-05-22 2004-06-08 Matthew P. Mitchell Concentric foil structure for regenerators
UA20797U (en) * 2006-08-03 2007-02-15 Nat Metallurgical Academy Ukraine Checker of regenerative heat exchanger
RU142459U1 (en) * 2013-11-26 2014-06-27 Открытое акционерное общество "НПО "Орион" COMBINED REGENERATIVE HEAT EXCHANGER OF MICROCRYOGENIC SYSTEM FOR COOLING IN THE TEMPERATURE RANGE OF 35-55 K
RU176892U1 (en) * 2017-08-28 2018-02-01 Акционерное общество "Московский завод "САПФИР" Combined regenerative heat exchanger of a gas cryogenic machine

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2079066C1 (en) * 1994-05-17 1997-05-10 Григорий Васильевич Шпырин Regenerator for stirling cycle refrigerating machine
US6745822B1 (en) * 1998-05-22 2004-06-08 Matthew P. Mitchell Concentric foil structure for regenerators
UA20797U (en) * 2006-08-03 2007-02-15 Nat Metallurgical Academy Ukraine Checker of regenerative heat exchanger
RU142459U1 (en) * 2013-11-26 2014-06-27 Открытое акционерное общество "НПО "Орион" COMBINED REGENERATIVE HEAT EXCHANGER OF MICROCRYOGENIC SYSTEM FOR COOLING IN THE TEMPERATURE RANGE OF 35-55 K
RU176892U1 (en) * 2017-08-28 2018-02-01 Акционерное общество "Московский завод "САПФИР" Combined regenerative heat exchanger of a gas cryogenic machine

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101844184B (en) Phase-change non-destructive pipe expanding method for inner finned tube
CN107144024B (en) A kind of solar vacuum heat-collecting pipe and system close to countercurrent flow effect
CN109737784B (en) Rib-hole network phase change energy storage device
WO2010040137A1 (en) Solar energy collection
RU2755014C1 (en) Combined regenerative heat exchanger of stirling engine
US3956895A (en) Heat engine
CN104949354B (en) Phase change heat storage type solar energy evacuated collector tube and solar water heater comprising phase change heat storage type solar energy evacuated collector tube
CN108981438B (en) A kind of heat exchanger and heat-exchange method
US3855795A (en) Heat engine
CN201096462Y (en) Pipe barrel type liquid-storing heat exchanger
JPH071028B2 (en) Stirling cycle engine and heat pump
JPS62284193A (en) Heat transfer pipe
JP5597790B2 (en) Stirling agency
CN207420873U (en) Thermocompressor and its heat-exchange system
CN109168206A (en) A kind of high temperature resistant electric heating pipe processing technique for exempting from sealing
CN209802169U (en) Alternating flow heat exchanger and alternating flow system
US11549644B2 (en) Apparatus and method for making internally finned pressure vessel
RU150944U1 (en) COMBINED REGENERATOR OF THE MICROCRYOGENIC SYSTEM FOR COOLING IN THE TEMPERATURE RANGE 49-66 K
CN203928831U (en) Heat-pipe heating type radiator
CN203880985U (en) Bi-pass solar vacuum tube with expansion joint
RU2801167C2 (en) Methods for increasing the efficiency of heat exchange processes in a stirling engine
JPS58104349A (en) External-combustion type heat exchanger
CN105658940B (en) Regenerator for external combustion Thermal Motor
RU186579U1 (en) SOLAR COLLECTOR
RU188639U1 (en) Combined Regenerative Heat Exchanger for Gas Cryogenic Machine