RU2757746C1 - Stirling engine thermal block - Google Patents
Stirling engine thermal block Download PDFInfo
- Publication number
- RU2757746C1 RU2757746C1 RU2021110715A RU2021110715A RU2757746C1 RU 2757746 C1 RU2757746 C1 RU 2757746C1 RU 2021110715 A RU2021110715 A RU 2021110715A RU 2021110715 A RU2021110715 A RU 2021110715A RU 2757746 C1 RU2757746 C1 RU 2757746C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- cylinder
- heater
- cooler
- thermal block
- displacer
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F02G1/00—Hot gas positive-displacement engine plants
- F02G1/04—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
- F02G1/043—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F02G1/00—Hot gas positive-displacement engine plants
- F02G1/04—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
- F02G1/043—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines
- F02G1/053—Component parts or details
- F02G1/055—Heaters or coolers
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к устройству теплового блока двигателей, работающих по циклу Стирлинга, и может быть использовано в различных двигательных установках Стирлинга, применяемых в изолированных районах, в космическом пространстве и т.д., и там, где неэффективно или невозможно применять двигатели внутреннего сгорания, а также паровые двигатели или турбины.The invention relates to the field of engine building, namely to the device of the thermal block of engines operating on the Stirling cycle, and can be used in various Stirling propulsion systems used in isolated areas, in outer space, etc., and where it is ineffective or impossible use internal combustion engines, as well as steam engines or turbines.
Известен двигатель Стирлинга [RU 2100634, опубл. 27.12.1997], содержащий по меньшей мере один цилиндр вытеснителя, в котором перемещается вытеснительный поршень, разделяющий объем цилиндра на горячую и холодную полости. При этом нагреватель, регенератор и охладитель установлены последовательно в магистрали, соединяющей горячую и холодную полости. Охладитель содержит цилиндрическую рубашку охлаждения, заполненную охлаждающей жидкостью и охватывающую цилиндр с поршнем, снабженную двумя кольцевыми коллекторами, подключенными к патрубкам подвода и отвода жидкости. Охладитель, выполненный по типу "труба в трубе", содержит кольцевые каналы, образованные при помощи втулок с внутренними отверстиями, расположенными равномерно по диаметру цилиндра в рубашке охлаждения, по которым циркулирует рабочее тело.Known Stirling engine [RU 2100634, publ. 12/27/1997], containing at least one cylinder of the displacer, in which the displacement piston moves, dividing the volume of the cylinder into hot and cold cavities. In this case, the heater, regenerator and cooler are installed in series in the line connecting the hot and cold cavities. The cooler contains a cylindrical cooling jacket filled with a coolant and enclosing a cylinder with a piston, equipped with two annular collectors connected to the liquid inlet and outlet pipes. The pipe-in-pipe cooler contains annular channels formed by bushings with internal holes spaced uniformly along the diameter of the cylinder in the cooling jacket, through which the working fluid circulates.
Недостатком данного устройства является недостаточный теплообмен цилиндрических стенок каналов охладителя с рабочей средой, что уменьшает эффективность двигателя.The disadvantage of this device is the insufficient heat exchange of the cylindrical walls of the coolant channels with the working medium, which reduces the efficiency of the engine.
Известен двигатель Стирлинга [RU 2008489, опубл. 28.02.1994], содержащий по меньшей мере один цилиндр с верхней крышкой-нагревателем, обращенной к внешнему источнику теплоты, вытеснительный и рабочий поршни, размещенные в цилиндре и разделяющие его объем на горячую полость, холодную полость и буферную полость, охладитель, регенератор и нагреватель, установленные последовательно в магистрали, соединяющей горячую и холодную полости, причем нагреватель выполнен в виде диска с размещенными в нем профилированными каналами, одна часть которых соединяет горячую полость с периферией диска, которая сообщена с другой частью каналов, соединяющих периферию диска с регенератором, при этом каналы нагревателя выполнены в виде усеченной по образующей цилиндрической трубы, обращенной большей своей поверхностью к источнику теплоты.Known Stirling engine [RU 2008489, publ. 02/28/1994], containing at least one cylinder with a top cover-heater facing an external heat source, displacement and working pistons located in the cylinder and dividing its volume into a hot cavity, a cold cavity and a buffer cavity, a cooler, a regenerator and a heater installed in series in the line connecting the hot and cold cavities, and the heater is made in the form of a disk with profiled channels placed in it, one part of which connects the hot cavity with the periphery of the disk, which communicates with the other part of the channels connecting the periphery of the disk with the regenerator, while the heater channels are made in the form of a cylindrical pipe truncated along the generatrix, facing with its larger surface to the heat source.
Недостатком этого двигателя являются необходимость использования в нагревателе диска с каналами, имеющего большую жесткость и толщину для того чтобы выдерживать высокое давление рабочего тела (газа) внутри. Вторым недостатком является то, что для обеспечения требуемого теплового потока необходимо использовать большие габариты диска нагревателя, что затрудняет использование данной конструкции в многопоршневых двигателях. Третьим недостатком является низкая эффективность теплопередачи в охладителе, содержащим канал, в котором рабочее тело охлаждается за счет охлаждения стенок внешней рубашкой охладителя с циркулирующим в нем холодным теплоносителем.The disadvantage of this engine is the need to use a disc with channels in the heater, which has greater rigidity and thickness in order to withstand the high pressure of the working fluid (gas) inside. The second drawback is that to provide the required heat flux, it is necessary to use the large dimensions of the heater disk, which complicates the use of this design in multi-piston engines. The third disadvantage is the low efficiency of heat transfer in a cooler containing a channel in which the working fluid is cooled due to the cooling of the walls by the outer jacket of the cooler with a cold heat carrier circulating in it.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является двигатель Стирлинга [RU 2007603, опубл. 15.02.1994], в котором горячий цилиндр вытеснителя, где перемещается поршень-вытеснитель с колпаком, выполнен с верхней куполообразной частью меньшего диаметра и тремя рядами равномерно расположенных радиальных каналов, два из которых расположены на стенке верхней части горячего цилиндра и к которым присоединены трубки нагревателя рабочего тела (газа), омываемые снаружи горячими газами в камере сгорания. Нагретое рабочее тело из данных трубок поступает в кольцевой регенератор для отдачи тепла, и, далее, в и полость сжатия под поршнем-вытеснителем. Для повышения эффективности теплообмена на стенке горячего цилиндра в районе размещения регенеpатора находится третий ряд радиальных каналов, соединенный с регенератором. Данный ряд каналов является элементом дополнительного нагревателя рабочего тела, который образован объемом зазора между стенкой горячего цилиндра и колпаком поршня-вытеснителя.The closest technical solution chosen as a prototype is the Stirling engine [RU 2007603, publ. 02/15/1994], in which the hot cylinder of the displacer, where the displacement piston with the cap moves, is made with an upper dome-shaped part of a smaller diameter and three rows of evenly spaced radial channels, two of which are located on the wall of the upper part of the hot cylinder and to which the heater tubes are connected working fluid (gas), washed outside by hot gases in the combustion chamber. The heated working fluid from these tubes enters the annular regenerator for heat transfer, and then into the compression cavity under the displacement piston. To increase the efficiency of heat transfer, a third row of radial channels connected to the regenerator is located on the wall of the hot cylinder in the area of the regenerator. This row of channels is an element of an additional heater of the working fluid, which is formed by the volume of the gap between the wall of the hot cylinder and the cap of the displacement piston.
Недостатком прототипа является недостаточная эффективность теплопередачи рабочему телу, а также нетехнологичность изготовления и ремонта двигателя, обусловленная использованием паяных соединений для присоединения двух рядов трубок нагревателя, что снижает срок службы двигателя.The disadvantage of the prototype is the lack of efficiency of heat transfer to the working fluid, as well as low-tech manufacturing and repair of the engine, due to the use of solder joints to connect two rows of heater tubes, which reduces the service life of the engine.
Техническим результатом изобретения является повышение эффективности теплопередачи рабочему телу в нагревателе и охладителе, а также упрощении конструкции и уменьшение металлоемкости теплового блока.The technical result of the invention is to improve the efficiency of heat transfer to the working fluid in the heater and cooler, as well as to simplify the design and reduce the metal consumption of the heat block.
Технический результат достигается тем, что в тепловом блоке двигателя Стирлинга, содержащем цилиндр вытеснителя с установленным в нем поршнем-вытеснителем, нагреватель, регенератор и охладитель, новым является то, что нагреватель теплового блока состоит из наружного и внутреннего цилиндров, а также головки цилиндра, содержащих внутренние полости, при этом внутренний цилиндр нагревателя в своей верхней части соединяется над стенками цилиндра вытеснителя с наружным цилиндром нагревателя, а в нижней части - с головкой цилиндра с образованием единого объема для циркуляции горячего теплоносителя, охладитель теплового блока охватывает нижнюю часть цилиндра вытеснителя и образован рубашкой охлаждения, содержащей входной и выходной патрубки, и направляющей втулкой, ограничивающей движение поршня вытеснителя, при этом на боковых поверхностях нагревателя и охладителя, контактирующих с цилиндром вытеснителя нанесены продольные щелевые каналы, которые могут быть направленными под углом к оси цилиндра или выполнены в виде выступов на поверхности.The technical result is achieved by the fact that in the thermal block of a Stirling engine containing a displacement cylinder with a displacement piston installed in it, a heater, a regenerator and a cooler, it is new that the heater of the thermal block consists of an outer and an inner cylinder, as well as a cylinder head containing internal cavities, while the inner cylinder of the heater in its upper part is connected above the walls of the displacer cylinder with the outer cylinder of the heater, and in the lower part with the cylinder head to form a single volume for circulation of the hot coolant, the heat block cooler covers the lower part of the displacer cylinder and is formed by a jacket cooling, containing inlet and outlet nozzles, and a guide sleeve that limits the movement of the piston of the displacer, while on the lateral surfaces of the heater and cooler in contact with the cylinder of the displacer, longitudinal slotted channels are applied, which can be directed at an angle to the axis of the cylinders cores or are made in the form of protrusions on the surface.
Таким образом, перечисленные выше отличительные от прототипа признаки позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна». Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях, и, следовательно, обеспечивают заявляемому решению соответствие критерию «изобретательский уровень».Thus, the above-listed features distinguishing from the prototype make it possible to conclude that the proposed technical solution meets the "novelty" criterion. The features that distinguish the claimed technical solution from the prototype are not identified in other technical solutions, and, therefore, ensure the claimed solution meets the criterion of "inventive step".
Сущность изобретения поясняется графическими материалами.The essence of the invention is illustrated by graphic materials.
На фигуре 1 представлен заявляемый тепловой блок двигателя Стирлинга, на фигуре 2а - сечение нагревателя теплового блока двигателя Стирлинга, фигуре 2б - сечение охладителя теплового блока двигателя Стирлинга, на фигуре 3 - один из вариантов выполнения каналов на поверхностях нагревателя и охладителя.Figure 1 shows the inventive thermal block of the Stirling engine, figure 2a - cross-section of the heater of the thermal block of the Stirling engine, figure 2b - cross-section of the cooler of the thermal block of the Stirling engine, figure 3 - one of the variants of the channels on the surfaces of the heater and cooler.
Как представлено на фигуре 1, заявляемый тепловой блок двигателя Стирлинга состоит из цилиндра вытеснителя 1 с установленным в нем поршнем-вытеснителем 2, показанным на фигуре 1 в нижней «мертвой» точке, а также последовательно механически соединенных нагревателя 3, регенератора 4 и охладителя 5. Нагреватель 3 теплового блока состоит из наружного 6 и внутреннего 7 цилиндров, а также головки цилиндра 8, содержащих внутренние полости 9-11 соответственно. При этом внутренний цилиндр 7 нагревателя 3 в своей верхней части соединяется над стенками цилиндра вытеснителя 1 с наружным цилиндром 6 нагревателя 3, а в нижней части - с головкой цилиндра 8 таким образом, что их внутренние полости 9-11 образуют единый объем, в котором циркулирует горячий теплоноситель. В центре наружной части головки цилиндра 8 имеется входной патрубок 12 для входа горячего теплоносителя, а сбоку нижней части наружного цилиндра 6 нагревателя 3 имеется выходной патрубок 13 для выхода теплоносителя. На поверхностях нагревателя 3, контактирующих с цилиндром вытеснителя 1 нанесены продольные щелевые каналы 14, по которым циркулирует рабочее тело (газ) (фиг.1 и фиг.2а).As shown in figure 1, the inventive thermal block of the Stirling engine consists of a
В средней части цилиндра вытеснителя 1 с внутренней поверхностью наружного цилиндра 6 нагревателя 3 последовательно соединен с образованием канала цилиндрический регенератор 4, заполненный пористым веществом для аккумулирования и отдачи тепла рабочему телу (фиг.1).In the middle part of the cylinder of the
Движение поршня-вытеснителя 2 снизу ограничено направляющей втулкой 15, в которой находится аксиальный канал 16, где перемещается шток 17 поршня-вытеснителя 2, жестко соединенный с ним. Подпоршневое пространство (нижнюю часть цилиндра вытеснителя 1) охватывает охладитель 5 (фиг.1).The movement of the
Охладитель 5 заявляемого теплового блока двигателя Стирлинга образован рубашкой охлаждения 18, содержащей входной 19 и выходной 20 патрубки, через которые происходит поступление и отвод холодного теплоносителя, и направляющей втулкой 15. На боковых поверхностях охладителя и направляющей втулки 15, контактирующих с цилиндром вытеснителя 1, нанесены продольные щелевые каналы 21 и 22 для циркуляции рабочего тела (фиг.1 и 2б).Cooler 5 of the inventive thermal block of the Stirling engine is formed by a
Продольные щелевые каналы 14, 21 и 22 могут быть направлены под углом к оси цилиндра или могут быть выполнены в виде выступов на данных поверхностях (второй вариант выполнения каналов в виде выступов представлен в качестве примера на фигуре 3). Нанесение щелевых каналов на двух цилиндрах нагревателя помогает добиться двухпроходности движения газа (вверх и вниз) в нагревателе и уменьшить его продольный размер вдвое.Longitudinal
В нижней части цилиндра расположен выходной патрубок 23 (фиг.1), через который рабочее тело (газ) передается в рабочий цилиндр (на фигурах не показан).In the lower part of the cylinder there is an outlet pipe 23 (Fig. 1), through which the working fluid (gas) is transferred to the working cylinder (not shown in the figures).
Заявляемый тепловой блок двигателя Стирлинга работает следующим образом. Когда поршень-вытеснитель 2 движется из нижней «мертвой» точки вверх, рабочее тело (газ) движется и нагревается, увеличивая давление, посредством контакта с полусферической частью нагревателя в головке цилиндра 8 и, далее, проходя сквозь щелевые каналы 14 на поверхностях внутреннего 7 и наружного 6 цилиндров нагревателя 3. Далее газ движется сквозь регенератор 4, дополнительно обмениваясь теплом с его пористым материалом. Затем нагретое рабочее тело движется сквозь продольные щелевые каналы 21 охладителя 4, уже охлаждаясь и приводя к уменьшению давления. Данное уменьшение давления рабочего тела через входной патрубок 23 передается в рабочий цилиндр двигателя (не показан на фигурах), совершая полезную работу.The claimed thermal block of the Stirling engine works as follows. When the
Таким образом, заявляемое техническое решение теплового блока двигателя Стирлинга позволяет повысить эффективность теплопередачи в нагревателе и охладителе, а также упростить конструкцию теплового блока и уменьшить его металлоемкость.Thus, the claimed technical solution of the thermal block of the Stirling engine makes it possible to increase the efficiency of heat transfer in the heater and cooler, as well as to simplify the design of the thermal block and to reduce its metal consumption.
Claims (3)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2021110715A RU2757746C1 (en) | 2021-04-16 | 2021-04-16 | Stirling engine thermal block |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2021110715A RU2757746C1 (en) | 2021-04-16 | 2021-04-16 | Stirling engine thermal block |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2757746C1 true RU2757746C1 (en) | 2021-10-21 |
Family
ID=78289581
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2021110715A RU2757746C1 (en) | 2021-04-16 | 2021-04-16 | Stirling engine thermal block |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2757746C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2788798C1 (en) * | 2022-07-19 | 2023-01-24 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр "Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук" (ФИЦ КНЦ СО РАН, КНЦ СО РАН) | Stirling engine thermal block |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS58178851A (en) * | 1982-04-13 | 1983-10-19 | Asahi Glass Co Ltd | Stirling engine |
RU2007603C1 (en) * | 1991-10-21 | 1994-02-15 | Фонд международного научно-технического сотрудничества "Восток" | Stirling engine |
RU2008489C1 (en) * | 1991-08-16 | 1994-02-28 | Савинов Владимир Аркадьевич | Stirling engine |
US6381958B1 (en) * | 1997-07-15 | 2002-05-07 | New Power Concepts Llc | Stirling engine thermal system improvements |
CA2478108A1 (en) * | 2002-03-04 | 2003-09-18 | Ocean Power Corporation | Stirling engine having platelet heat exchanging elements |
-
2021
- 2021-04-16 RU RU2021110715A patent/RU2757746C1/en active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS58178851A (en) * | 1982-04-13 | 1983-10-19 | Asahi Glass Co Ltd | Stirling engine |
RU2008489C1 (en) * | 1991-08-16 | 1994-02-28 | Савинов Владимир Аркадьевич | Stirling engine |
RU2007603C1 (en) * | 1991-10-21 | 1994-02-15 | Фонд международного научно-технического сотрудничества "Восток" | Stirling engine |
US6381958B1 (en) * | 1997-07-15 | 2002-05-07 | New Power Concepts Llc | Stirling engine thermal system improvements |
CA2478108A1 (en) * | 2002-03-04 | 2003-09-18 | Ocean Power Corporation | Stirling engine having platelet heat exchanging elements |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2788798C1 (en) * | 2022-07-19 | 2023-01-24 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр "Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук" (ФИЦ КНЦ СО РАН, КНЦ СО РАН) | Stirling engine thermal block |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN104595056B (en) | Cold end heat exchanger of free piston type Stirling engine | |
JP4897335B2 (en) | Stirling engine | |
CN110454364B (en) | Hydrogenation station diaphragm compressor cylinder cap cooling structure with heat pipe | |
US6715285B2 (en) | Stirling engine with high pressure fluid heat exchanger | |
CN105756804B (en) | Hot end heat exchanger for free piston Stirling engine | |
KR950002624B1 (en) | Insulation for stirling engine | |
RU2757746C1 (en) | Stirling engine thermal block | |
RU2788798C1 (en) | Stirling engine thermal block | |
WO2017164762A1 (en) | Operating method of piston converter with heat exchanger, and converter for implementing method | |
RU2827399C1 (en) | Thermal unit of stirling engine | |
KR101022456B1 (en) | Stirling engine | |
RU182024U1 (en) | Stirling engine cooler | |
JPH11223400A (en) | Heat exchanger for heat engine | |
CN216205562U (en) | High-temperature heat exchanger for Stirling engine and Stirling engine | |
JPH11223401A (en) | Heat exchanger for heat engine | |
CN107966062B (en) | Built-in water-cooling heat exchanger for acoustic energy free piston type machine | |
RU2233413C2 (en) | Heat exchanger with variable area of heat-exchange surface | |
JP4929470B2 (en) | Stirling engine heat exchanger | |
KR940007778Y1 (en) | Stirling engine | |
SU1096389A1 (en) | Engine with external heat supply | |
KR950004633Y1 (en) | Cooler structure of stirling engine | |
JPS629184A (en) | Heat exchanger | |
SU892000A1 (en) | External heat supply engine | |
SU1726828A1 (en) | Stirling engine | |
RU2230223C1 (en) | Heat compressor |