SU1778358A1

SU1778358A1 - Thermal engine

Info

Publication number: SU1778358A1
Application number: SU904778349A
Authority: SU
Inventors: Yurij S Makarenkov; Vladimir I Boronin
Original assignee: Yurij S Makarenkov; Boronin Vladimir
Priority date: 1990-01-08
Filing date: 1990-01-08
Publication date: 1992-11-30

Description

Изобретение относится к теплотехнике и представляет собой двигатель в виде теплопередающего устройства с преобразованием тепловой энергии в механическую.The invention relates to heat engineering and is an engine in the form of a heat transfer device with the conversion of thermal energy into mechanical energy.

Может найти применение как экологически чистый преобразователь тепловой энергий в механическую, электрическую при использовании, например, солнечного тепла, в том числе для авторотации различных аппаратов. Позволяет утилизировать тепловые источники с малым перепадом температур и т.д.It can be used as an environmentally friendly converter of thermal energy into mechanical, electrical when using, for example, solar heat, including for autorotation of various devices. Allows to utilize heat sources with a small temperature difference, etc.

Известен тепловой двигатель, содержащий корпус, жестко соединенный с ним источник высоких и низких температур, размещенный в корпусе заполненный легкокилящим рабочим телом основной сильфон, одно основание которого неподвижно соединено с корпусом, а второе снабжено покрытым капиллярно-пористым материалом диском, являющимся крышкой сильфона и элементом отвода тепла, установленным в корпусе с возможностью осевого перемещения до контакта с источником низкой температуры и жестко соединенным со штоком отбора мощности. Для повышения эффективности теплового двигателя он снабжен дополнительным сильфоном меньшего диаметра, установленным соосно с основным с образованием общей для обоих внутренней полости и имеющим крышку со стороны, противоположной основному сильфону, являющейся элементом подвода тепла и установленной с возможностью осевого перемещения до контакта с источником высокой температуры, причем крышка дополнительного сильфона имеет пористое покрытие и соединена с диском основного сильфона жестким капиллярным элементом.A heat engine is known, comprising a body, a source of high and low temperatures rigidly connected to it, a main bellows filled with a light-working working body, one base of which is fixedly connected to the body, and the second is equipped with a disk covered with capillary-porous material, which is a bellows cover and an element heat removal installed in the housing with the possibility of axial movement to contact with a low temperature source and rigidly connected to the power take-off rod. To increase the efficiency of the heat engine, it is equipped with an additional bellows of a smaller diameter, mounted coaxially with the main one with the formation of an internal cavity common to both and having a lid on the side opposite to the main bellows, which is an element of heat supply and installed with the possibility of axial movement to contact with a heat source, moreover, the cover of the additional bellows has a porous coating and is connected to the main bellows disk by a rigid capillary element.

1778358 А11778358 A1

К недостаткам указанного двигателя можно отнести: возвратно-поступательный ход штока отбора мощности требует, как правило, механизма преобразования во вращательное движение, наличие деформирующихся эластичных элементов конструкции ограничивает срок их службы, сложность конструкции. .The disadvantages of this engine include: the reciprocating stroke of the power take-off rod requires, as a rule, a conversion mechanism into rotational motion, the presence of deformable elastic structural elements limits their service life, and design complexity. .

Наиболее близким по технической сущности является двигатель, содержащий заполненную легкокипящим телом герметичную камеру с зонами подвода и отвода тепла, соединенными размещаемой внутри камеры капиллярной структурой со стенками камеры, имеющими неподвижный участок, соединенный при помощи эластичного участка с подвижным участком, устройством с возможностью осевого перемещения и связанным со штоком отбора мощности.The closest in technical essence is an engine containing a sealed chamber filled with a low-boiling body with heat supply and removal zones connected by a capillary structure placed inside the chamber with chamber walls having a fixed section, connected with an elastic section to a movable section, an axial displacement device and connected to the power take-off rod.

Основные недостатки двигателя наличие возвратного холостого хода, возвратнопоступательный ход штока отбора мощности требует, как правило, механизма преобразования во вращательное движение, наличие деформирующихся элементов конструкции ограничивает срок службы, сложность конструкции.The main disadvantages of the engine are the presence of return idle, the reciprocating stroke of the power take-off rod requires, as a rule, a mechanism of conversion into rotational motion, the presence of deformable structural elements limits the service life and design complexity.

Целью изобретения является выработка механической энергии вращения путем циркуляции рабочего тела в направлении, противоположном направлению вращения двигателя.The aim of the invention is the generation of mechanical energy of rotation by circulating the working fluid in a direction opposite to the direction of rotation of the engine.

Цель достигается тем, что тепловой двигатель содержит герметичные частично заполненные рабочим телом конденсатор и испарительную камеру, соединенные посредством паро- и конденсатопроводов с заборниками, при этом конденсатор и испарительная камера выполнены с капиллярнопористой структурой, причем последняя отделяет жидкостную полость испарительной камеры от ее паровой полости, соединенной паровыми каналами с приемной камерой конденсатора, при этом паровые каналы на входе в приемную камеру конденсатора выполнены в виде инжекторов с соплом, а приемная камера конденсатора посредством основных каналов, выполненных в капиллярно-пористой структуре испарительной камеры, сообщена с жидкостной полостью испарительной камеры.The goal is achieved in that the heat engine contains a sealed condenser partially filled with a working fluid and an evaporation chamber connected by steam and condensate pipelines to intakes, while the condenser and the evaporation chamber are made with a capillary-porous structure, the latter separating the liquid cavity of the evaporation chamber from its vapor cavity, connected by steam channels to the receiving chamber of the condenser, while the steam channels at the entrance to the receiving chamber of the condenser are made in the form of injectors with oplom, a receiving chamber of the condenser through the main channels formed in the capillary-porous structure of the vaporization chamber, in communication with the liquid cavity of the vaporization chamber.

Для выработки механической энергии вращения двигатель выполнен осесимметричным с возможностью вращения вокруг оси симметрии, при этом испарительная камера размещена над конденсатором и отделена от последнего теплоизолирующим слоем, выполненным толщиной, не превышающей величины капиллярного напора капиллярно-пористой структуры, а инжекторы с соплом паровых каналов расположены концентрично оси вращения перпендикулярно радиусу.To generate mechanical rotational energy, the engine is made axisymmetric with the possibility of rotation around the axis of symmetry, while the evaporation chamber is located above the condenser and is separated from the latter by an insulating layer made of a thickness not exceeding the capillary pressure of the capillary-porous structure, and the injectors with a vapor channel nozzle are arranged concentrically axis of rotation perpendicular to the radius.

Двигатель может быть выполнен цилиндрической или конической формы. Теплоизоляционный слой может быть выполнен в виде вакуумной полости. Испарительная камера и конденсатор могут быть выполнены с радиальными перегородками, разделяющими их на секторы, при этом каждый сектор испарительной камеры соединен посредством паропровода с последующим сектором конденсатора, а каждый из последних посредством конденсатопровода с последующей секцией испарительной камеры.The engine may be cylindrical or conical in shape. The heat-insulating layer can be made in the form of a vacuum cavity. The evaporation chamber and the condenser can be made with radial partitions dividing them into sectors, with each sector of the evaporation chamber connected via a steam line to a subsequent sector of the condenser, and each of the latter through a condensate line with a subsequent section of the evaporation chamber.

В известных конструкциях двигателей, основанных на заполненной легкокипящим телом герметичной камере с зонами подвода и отвода тепла, соединенными размещенной внутри камеры капиллярной структурой, на стенках камеры вместо нагрева и охлаждения рабочего тела в подвижной камере с изменяемым объемом предлагается избыточное давление в испарительной камере создавать и поддерживать за счет использования значительной частикапиллярного напора жидкой фазы рабочего тела в капиллярной структуре, отделяющей испарительную камеру от конденсатора с преобразованием этого давления в механическую энергию в непрерывном цикле перемещения паровой и жидкой фазы рабочего тела по окружности двигателя за счет срабатывания давления, например, в инжекторах с соплами и созданием таким образом вращающего момента двигателя в направлении, противоположном перемещению рабочего тела.In known engine designs based on a sealed chamber filled with a low-boiling body with heat supply and removal zones connected by a capillary structure placed inside the chamber, instead of heating and cooling the working fluid in a movable chamber with a variable volume, it is proposed to create and maintain overpressure in the evaporation chamber due to the use of a significant part-capillary pressure of the liquid phase of the working fluid in the capillary structure separating the evaporation chamber from the condensate together with the conversion of this pressure into mechanical energy in a continuous cycle of movement of the vapor and liquid phases of the working fluid around the circumference of the engine due to pressure triggering, for example, in injectors with nozzles and thus creating engine torque in the direction opposite to the movement of the working fluid.

В связи с тем, что отличительные признаки, обеспечивающие совместно с известными (общими с прототипом) признаками достижение цели, не обнаружены в известных источниках, авторы считают, что предложенное техническое решение соответствует критерию существенные отличия.Due to the fact that the distinguishing features, which together with the known (common with the prototype) features achieve the goal, are not found in well-known sources, the authors believe that the proposed technical solution meets the criterion of significant differences.

На фиг.1 представлен общий вид двигателя; на фиг.2 - сечение по инжектору; на фиг.З - сечение по заборнику инжектора: на фиг.4 - продольное сечение по секционированному конденсатору: на фиг.5 - поперечное сечение по конденсатопроводу секционированного двигателя: на фиг.б продольное сечение по секционированной испарительной камере; на фиг.7а и 76 - поперечное сечение по каналам испарительной камеры.Figure 1 presents a General view of the engine; figure 2 is a section along the injector; in Fig. 3 - a section along the intake of the injector: in Fig. 4 is a longitudinal section through a sectioned condenser: in Fig. 5 is a cross section through a condensate line of a sectioned engine: in Fig. 6 is a longitudinal section through a sectioned evaporator chamber; on figa and 76 is a cross section through the channels of the evaporation chamber.

Двигатель содержит герметичные частично заполненные рабочим телом испарительную камеру 1, конденсатор 2, соеди5 ненные посредством конденсатопроводов 3 и паропроводов 4 с заборниками, при этом испарительная камера 1 и конденсатор 2 выполнены с капиллярно-пористой структурой 5 и 6, причем капиллярно-пористая структура 5 отделяет жидкостную полость испарительной камеры 1 от ее паровой полости, соединенной паровыми каналами 5 с приемной камерой конденсатора 2, при этом паровые каналы 8 выполнены в виде инжекторов с соплом 9, а приемная камера конденсатора 2 посредством сквозных каналов 10, выполненных в капиллярно-пористой структуре 5 испарительной камеры 1, сообщена с жидкостной полостью 7 испарительной камеры 1.The engine contains a sealed partially filled with a working fluid evaporation chamber 1, a condenser 2, connected through condensate lines 3 and steam lines 4 with intakes, while the evaporation chamber 1 and the condenser 2 are made with a capillary-porous structure 5 and 6, and the capillary-porous structure 5 separates the liquid cavity of the evaporation chamber 1 from its vapor cavity connected by the steam channels 5 to the receiving chamber of the condenser 2, while the steam channels 8 are made in the form of injectors with a nozzle 9, and the receiving chamber ensatora 2 via through channels 10 formed in the capillary-porous structure 5, the vaporization chamber 1 communicates with the fluid cavity 7 vaporization chamber 1.

Двигатель выполнен осесимметричным с возможностью вращения вокруг оси симметрии 17, при этом испарительная камера размещена над конденсатором 2 и отделена от последнего теплоизоляционным слоем 11, выполненным толщиной, не превышающей величины капиллярного напора капиллярно-пористой структуры 5 и 6, а инжекторы с соплом 9 паровых каналов 8 расположены концентрично оси вращения 17. перпендикулярно радиусу.The engine is made axisymmetric with the possibility of rotation around the axis of symmetry 17, while the evaporation chamber is placed above the condenser 2 and is separated from the latter by a heat-insulating layer 11 made of a thickness not exceeding the capillary pressure of the capillary-porous structure 5 and 6, and injectors with a nozzle 9 of steam channels 8 are arranged concentrically to the axis of rotation 17. Perpendicular to the radius.

Двигатель может быть выполнен цилиндрической или конической формы.The engine may be cylindrical or conical in shape.

Теплоизоляция 11 может быть выполнена в виде вакуумной полости.Thermal insulation 11 can be made in the form of a vacuum cavity.

Испарительная камера 1 и конденсатор двигателя могут быть выполнены с радиальными перегородками 12 и 13 (см.фиг.46), разделяющими их на секторы, при этом каждый сектор испарительной камеры 1 соединен посредством паропровода 4 (см.фиг.4) с последующим сектором конденсатора 2, а каждый из последних посредством конденсатопроводов 14 (см.фиг.5) - с последующей секцией испарительной камеры 1.The evaporation chamber 1 and the engine condenser can be made with radial partitions 12 and 13 (see Fig. 46) dividing them into sectors, while each sector of the evaporation chamber 1 is connected via steam line 4 (see Fig. 4) with the subsequent condenser sector 2, and each of the latter by means of condensate pipelines 14 (see Fig. 5) - with the subsequent section of the evaporation chamber 1.

Двигатель работает следующим образом. ’The engine operates as follows. ’

При подаче тепловой энергии к испарительной камере 1 давлением пара жидкость выталкивается из пароотводных каналов 8, паропроводов 4 и инжекторов 9 в приемную камеру конденсатора 2, частично заполняя ее. При этом капиллярно-пористая структура в конденсатопроводе 3 является гидрозатвором, обеспечивающим повышенное давление пара в испарительной камере 1 относительно конденсатора 2, отделяет жидкостную полость от паровой и одновременно является капиллярным насосом для подачи жидкой фазы рабочего тела в испарительную камеру 1 из конденсатора 2. Для подачи по капиллярно-пористой структуре конденсатопровода 3 при повышенном дав лении в испарительной камере 1 относительно конденсатора 2 и расположении ее над конденсатором, толщина слоя изоляции между ними не должна превышать величины капиллярного напора в капиллярно-пористой структуре. Кроме того, капиллярная структура 5 испарительной камеры 1 увеличивает интенсивность испарения, -а капиллярная структура 6 является сборником конденсата в конденсаторе 2. Весь поток образующегося пара направляется через паропроводы 4 и сопла инжекторов 9 и в приемную камеру конденсатора 2, увлекая за собой через инжекторы 9 из жидкостной полости 7 испарительной камеры 1 часть жидкой фазы рабочего тела. В конденсаторе 2 происходит конденсация пара в пространстве, заполненном постоянно циркулирующим рабочим телом.When heat energy is supplied to the evaporation chamber 1 by steam pressure, the liquid is pushed out from the steam channels 8, steam lines 4 and injectors 9 into the receiving chamber of the condenser 2, partially filling it. In this case, the capillary-porous structure in the condensate conduit 3 is a water trap that provides increased vapor pressure in the evaporation chamber 1 relative to the condenser 2, separates the liquid cavity from the steam and at the same time is a capillary pump for supplying the liquid phase of the working fluid to the evaporation chamber 1 from the condenser 2. For supply by the capillary-porous structure of the condensate conduit 3 at elevated pressure in the evaporation chamber 1 relative to the condenser 2 and its location above the condenser, the thickness of the insulation layer and between them should not exceed the magnitude of the capillary pressure in the capillary-porous structure. In addition, the capillary structure 5 of the evaporation chamber 1 increases the evaporation rate, and the capillary structure 6 is a condensate collector in the condenser 2. The entire stream of generated steam is directed through the steam lines 4 and nozzles of the injectors 9 and into the receiving chamber of the condenser 2, dragging it through the injectors 9 from the liquid cavity 7 of the evaporation chamber 1 part of the liquid phase of the working fluid. In the condenser 2, condensation occurs in the space filled with a constantly circulating working fluid.

В результате конденсации струи пара и обмена импульсами между потоком сконденсировавшегося пара и жидкостью происходит преобразование тепловой и кинетической энергии пара в статический напор. За счет этого напора происходит циркуляция теплоносителя по замкнутому контуру с соответствующей кратностью потоков жидкости и пара.As a result of the condensation of the steam jet and the exchange of pulses between the condensed vapor stream and the liquid, the thermal and kinetic energy of the steam is converted into a static pressure. Due to this pressure, the coolant circulates in a closed loop with the corresponding multiplicity of fluid and vapor flows.

При выходе парожидкостной смеси через инжекторы с соплами 9, расположенными концентрично перпендикулярно радиусу, создается вращающий момент, осуществляющий вращение осесимметричного двигателя относительно оси симметрии 17.When the vapor-liquid mixture exits through injectors with nozzles 9 arranged concentrically perpendicular to the radius, a torque is created that rotates the axisymmetric engine relative to the axis of symmetry 17.

Двигатель цилиндрической конструкции представляет оптимальную форму осесимметричного двигателя.A cylindrical engine represents the optimum shape of an axisymmetric engine.

Выполнение испарительной камеры 1 и конденсатора 2 в виде поверхностей с углом наклона к горизонту, определяемым в каждой точке поверхности по формуле, позволяет, при необходимости, исключить противодействие центробежных сил, возникающих в частицах циркулирующего рабочего тела, действию капиллярных сил.The implementation of the evaporation chamber 1 and the condenser 2 in the form of surfaces with an angle of inclination to the horizon, determined at each point on the surface by the formula, allows, if necessary, to eliminate the opposition of centrifugal forces arising in the particles of the circulating working fluid to the action of capillary forces.

Учитывая значительный перепад температур между испарительной камерой 1 и конденсатором 2, их развитые поверхности, а также необходимость выполнения минимальных расстояний между ними, должна быть обеспечена их надежная взаимная теплоизоляция для уменьшения перетекания тепла. Поэтомутеплоизоляция 11 может быть выполнена в виде вакуумной полости.Given the significant temperature difference between the evaporation chamber 1 and the condenser 2, their developed surfaces, as well as the need to keep the minimum distances between them, their reliable mutual thermal insulation must be ensured to reduce heat transfer. Therefore, thermal insulation 11 can be made in the form of a vacuum cavity.

Выполнение испарительной камеры 1 и .The execution of the evaporation chamber 1 and.

конденсатора 2 с радиальными перегородками, разделяющими их на секторы, создает условия для более равномерного распреде1778358 ления рабочего тела как в паровой, так и в жидкой фазе по объему устройства, например, при неравномерном нагреве поверхности испарительной камеры 1, или при качке (изменении ориентации относительно век- 5 тора ускорения силы тяжести), т.е, повысить КПД двигателя. При этом каждый сектор испарительной камеры 1 соединен посредством паропровода 9 (см.фиг.4) с последующим сектором конденсатора 2, а каждый из 10 последних посредством конденсатопроводов 14 (см.фиг.5) - с последующей секцией испарительной камеры 1.condenser 2 with radial baffles dividing them into sectors, creates conditions for a more uniform distribution of the working fluid in both the vapor and liquid phases over the volume of the device, for example, during uneven heating of the surface of the evaporation chamber 1, or during rolling (change of orientation relative to 5 torus acceleration of gravity), i.e., increase engine efficiency. In this case, each sector of the evaporation chamber 1 is connected via a steam line 9 (see Fig. 4) with the subsequent sector of the condenser 2, and each of the 10 last through condensate pipelines 14 (see Fig. 5) is connected to the subsequent section of the evaporation chamber 1.

Циркуляция рабочего тела в замкнутом объеме позволяет использовать теплоноси- 15 тель с заданными параметрами - температурой испарения, кипения, теплоемкостью, смачиваемостью и т.д. для создания оптимального теплового цикла. Конструкция двигателя не имеет эластичных деталей, 20 трущихся сочленений, за исключением подшипников оси вращения (при их наличии), что позволяет иметь практически неограниченный ресурс двигателя.Circulation of the working fluid in a closed volume allows the use of a heat carrier with specified parameters — evaporation temperature, boiling point, heat capacity, wettability, etc. to create an optimal heat cycle. The engine design does not have elastic parts, 20 rubbing joints, with the exception of the rotation axis bearings (if any), which allows for an almost unlimited engine life.

Учитывая известную зависимость уве- 25 личения капиллярного напора при уменьшении размера пор капиллярной структуры при одновременном увеличении гидравлического сопротивления перемещения жидкой фазы рабочего тела, в предлагаемой 30 конструкции с минимальным расстоянием между камерой испарения и конденсатором, возможно создание коНденсатопроводов с капиллярной структурой с весьма малым размером пор и развитой площадью, 35 что позволит обеспечить необходимый капиллярный напор при достаточно низком гидравлическом сопротивлении.Taking into account the well-known dependence of the increase in capillary pressure upon decreasing the pore size of the capillary structure while increasing the hydraulic resistance of movement of the liquid phase of the working fluid, in the proposed construction 30 with a minimum distance between the evaporation chamber and the condenser, it is possible to create condensate pipelines with a capillary structure with a very small pore size and a developed area of 35, which will provide the necessary capillary pressure with a sufficiently low hydraulic resistance.

Claims

The claims 40

1. A thermal engine comprising a sealed condenser partially filled with a working fluid and an evaporation chamber connected by steam and condensate pipelines to intakes, while 45 the condenser and the evaporation chamber are made with a capillary-porous structure, the latter separating the liquid cavity of the evaporation chamber from its vapor cavity connected by steam channels to the receiving chamber of the condenser, while the steam channels at the entrance to the receiving chamber of the condenser are made in the form of injectors with a nozzle, and the receiving the condenser amer, through the through channels made in the capillary-porous structure of the evaporation chamber, is in communication with the liquid cavity of the evaporation chamber, characterized in that, in order to increase efficiency by obtaining additional mechanical energy, it is made axisymmetric with the possibility of rotation around the axis of symmetry, while the evaporation the chamber is placed above the condenser and is separated from the latter by a heat-insulating layer made of a thickness not exceeding the capillary pressure of the capillary -poristoy structure, and steam injectors arranged concentric channels * · but axis of rotation perpendicular to the radius.

2. The engine according to claim 1, about t and h and ya and with the fact that it is made of a cylindrical shape.

3. The engine according to claim 1, about t and h and u y and ys by the fact that it is made of a conical shape.

4. The engine according to claim 1-3, characterized in that the heat-insulating layer is made in the form of a vacuum cavity.

b. The engine according to claim 4, characterized in that the evaporation chamber and the condenser are made with radial partitions dividing them into sectors, each sector of the evaporation chamber being connected via a steam line to a subsequent sector of the condenser, and each of the latter through condensate lines to a subsequent section of the evaporation chamber.

FIG. / i-π

I-I

FIG.

g-JL of FIG. 7

Compiled by Y. Radin Editor Tehred M. Morgenthal Corrector N. Gunko

Order 4174 Circulation Subscription

VNIIIPI of the State Committee for Inventions and Discoveries under the State Committee for Science and Technology of the USSR 113035, Moscow, Zh-35, Raushskaya nab., 4/5.

Production and Publishing Plant Patent, Uzhgorod, 101 Gagarin St.