Парожидкостный двигатель

 

Сущность изобретенияиспаритель совмещен с клапанным гидравлическим насосом для перекачки горячей жидкости и выполнен в виде теплоизолированной полости с отверстием в основании, соединенным с парожидкостным каналом. В нижней части боковой стенки насоса расположен входной патрубок, к вершине конической крышки присоединен выходной патрубок. В полости насоса установлена упругая мембрана, жестко закрепленная по периметру корпуса с образованием полости испарителя переменного объема. Часть объема заполнена смесью пара рабочей жидкости и неконденсирующихся в диапазоне рабочих температур газов. Холодильник выполнен в виде двух вертикально установленных коаксиальныхтруб. Нижний конец внутренней трубы подсоединен к всасывающей трубе большего сечения с образованием канала U-образной формы. Нижний конец наружной трубы подсоединен к нагнетательной трубе меньшего сечения с образованием канала U-образной формы. Верхний участок внутренней трубы выполнен в виде конуса, вершина к-рого расположена на входе в испаритель . 1 ил.

i.OIO3 COBE ÒÑÊÈÕ

СО! ИАЛИС ГИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (sI)s F 01 К 19/08

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

IlO ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

l, ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ V

V с с

QO

Ю ф (21) 4902633/29 (22) 16.01,91 (46) 23.11.92. Бюл, N 43 (75) И. Т. Атманов (56) Авторское свидетельство СССР

N675198,,кл. F 01 К 19/08, 1977. (54) ПАРОЖИДКОСТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ (57) Сущность изобретения: испаритель совмещен с клапанным гидравлическим насосом для перекачки горячей жидкости и выполнен в видетеплоизолированной полости с отверстием в основании, соединенным с парожидкостным каналом. В нижней части боковой стенки насоса расположен входной патрубок, к вершине конической крышки присоединен выходной патрубок. B полости насоса установлена упругая мембрана, жесИзобретение относится к теплотехнике и гидравлике, а именно к устройствам для преобразования тепловой энергии в механическую энергию колебаний жидкости, и может найти применение в малой энергетике в качестве привода насосов.

Известен парожидкостный двигатель, содержащий последовательно соеди ненные испаритель, парожидкостный канал, холодильник и нагнетательно-всасывающую трубу со всасывающим и нагнетательным патрубками и размещенными на них обратными клапанами.

Недостатком данного устройства является низкий КПД парожидкостного цикла из-за больших необратимых потерь, связанных с тем, что при входе жидкости в испари„„5LJ„, 1776824 А1 тко закрепленная ll0 периметру корпуса с образованием полости испарителя переменного объема, Часть объема заполнена смесью парэ рабочей жидкости и неконденсирующихся в диапазоне рабочих температур газов. Холодильник выполнен в виде двух вертикально установленных коаксиальныхтруб. Нижний конец внутренней трубы подсоединен к всасывающей трубе большего сечения с образованием канала

U-образной формы. Нижний конец наружной трубы подсоединен к нагнетательной трубе меньшего сечения с образованием канала О-образной формы. Верхний участок внутренней трубы выполнен s виде конуса, вершина к-рого расположена на входе в испаритель. 1 ил. тель только незначительная часть ее после нагревания переходит в пар, а остальная жидкость, вошедшая в испаритель, нагревается и необратимо уносит значительную часть теплоты из испарителя без преобразования в работу, Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является парожидкостный двигатель, содержащий последовательно соединенные испаритель, парожидкостный канал, холодильник и нагнетательно-всасывающую трубу, заполненную жидкостью,выполняющей одновременно роль рабочего тела и жидкого поршня, а испаритель со стороны, противоположной парожидкостному каналу, соединен с последним дополнительным трубопроводом, который

1776824

15 снабжен камерой, заполненной газовой смесью.

Недостатком этого устройства является постепенное уменьшение количества неконденсирующегося газа в рабочей зоне двигателя за счет перехода части парогаэовых пузырьков, образующихся в жидком поршне при осуществлении процессов термодинамического цикла, в нагнетательновсасывающую трубу, в которой эти пузырьки всплывают и уже не возвращаются в рабочую зону двигателя, то есть неконденсирующийся газ постепенно выводится из рабочей зоны двигателя. Уменьшение же количества неконденсирующегося газа приводит к снижению эффективности термодинамического цикла за счет увеличения необратимых потерь.

Целью изобретения является повышение КПД, эффективности преобразования работы термодинамического цикла, устойчивости и надежности в работе.

Поставленная цель достигается тем, что в парожидкостном двигателе, содержащем последовательно соединенные между собой испаритель, парожидкостный канал, холодильник и всасывающе-нагнетательную трубу, заполненные рабочей жидкостью, образующей жидкий поршень, а также клапанный гидравлический насос и камеру, заполненную газовой смесью, согласно изобретению, испаритель совмещен с клапанным гидравлическим насосом для перекачки горячей жидкости, выполненным в виде теплоизолированной полости с отверстием восновании,,соединенным с парожидкостным каналом, к нижней боковой стенке которой подключен входной патрубок, а к вершине крышки, имеющей коническую форму, выходной патрубок, при этом в полости установлена упругая мембрана, жестко прикрепленная по периметру к ее основанию с образованием полости испарителя переменного объема, часть объема которого заполнена смесью пара рабочей жидкости и неконденсирующихся в диапазоне рабочих температур газов, а парожидкостный канал и холодильник выполнены в виде двух вертикально установленных коаксиальных труб, причем нижний конец внутренней трубы подсоединен к всасывающей трубе большего сечения с образованием канала U-образной формы, а нижний конец наружной трубы подсоединен к нагнетательной трубе меньшего сечения также с образованием канала U-образной формы, при этом верхний участок внутренней трубы выполнен в форме конуса, вершина которого расположена на входе в испаритель, на боковой поверхности которого выполнены отвер20

ЗО

55 стия, а верхняя часть всасывающей трубы совмещена с камерой, заполненной газовой смесью, в которой герметично установлен выходной участок нагнетательной трубы в виде усеченного конуса с центральным отверстием, обращенным к поверхности рабочей жидкости, причем насос оснащен поперечной горизонтальной перегородкой, перекрывающей часть сечения полости насоса, а входной патрубок проходит через основание полости насоса перед подключением его к боковой стенке полости в зоне между перегородкой и мембраной, Сопоставительный анализ заявляемого решения и прототипа показывает, что парожидкостный двигатель отличается от известного тем, что испаритель совмещен с клапанным насосом для прокачки горячего теплоносителя, который одновременно является источником тепла для двигателя, а столб жидкости над упругой мембраной в полости клапанного насоса выполняет роль маховика, который улучшает термодинамические характеристики цикла. Заполнение части объема испарителя неконденсирующимся газом или смесью газов обеспечивает повышение термодинамической эффективности цикла за счет эффекта образования пузырьков в жидкости, которые в результате гидродинамических и роцессов обеспечивают впрыск в испаритель дозированного количества жидкости, полностью переходящей в парообразное состояние, повышают максимальное давление в рабочем объеме двигателя и обеспечивают регенерацию отработанного тепла. Выполнение парожидкостного канала и холодильника в виде двух коаксиальных труб и отделение всасывающей трубы от нагнетательной, а также выполнение указанного соотношения между диаметрами этих труб позволяет создать циркуляцию жидкости в контуре парожидкостного двигателя, что при размещении камеры с неконденсирующимся газом в верхней части всасывающей трубы и установке в камере выходного участка нагнетательной трубы в виде усеченного конуса с отверстием, обращенным к поверхности рабочей жидкости, позволяет обеспечить хорошее перемешивание рабочей жидкости и неконденсирующегося газа в холодной зоне двигателя, что в свою очередь обеспечивает высокое насыщение жидкости неконденсирующимся газом и доставку ее в парожидкостный канал, где по мере повышения температуры жидкости растворенный газ выделяется в пузырьки. В результате газовые пузырьки, уходящие иэ парожидкостного канала в нагнетательную трубу, возвращаются в парожидкостный ка1776824 нал по всасывающей трубе, обеспечивая поддержание постоянного количества газа в рабочем объеме и рабочей жидкости, что повышает надежность и устойчивость двигателя в работе. 5

На чертеже изображена принципиальная схема парожидкостного двигателя.

Двигатель содержит испаритель 1 (парогенератор). размещенный в полости 2 клапанного гидравлического насоса для пе- 10 рекачки горячей жидкости и образованный упругой мембраной 3 и основанием 4 полости 2 насоса с отверстием 5, подключенным к последовательно соединенным между собой парожидкостному каналу 6 и холодиль- 15 нику 7, выполненным в виде двух вертикально установленных коаксиальных труб, из которых внутренняя труба 8 своим концом подключена к всасывающей трубе 9 большего сечения с образованием канала 20

U-образной формы, а наружная труба 10 своим нижним концом подсоединена к нагнетательной трубе 11 меньшего сечения также с образованием канала U-образной формы, при этом верхний участок 12 внут- 25 ренней трубы имеет форму конуса с вершиной, расположенной на входе в испаритель

1, на боковой поверхности которого выполнены отверстия 13, а верхняя часть всасывающей трубы 9 совмещена с камерой 14, 30 заполненной газовой смесью, в которой герметично установлен выходной участок

15 нагнетательной трубы 11 в виде усеченного конуса с отверстием, обращенным к поверхности рабочей жидкости. 35

Полость 2 клапанного насоса теплоизолирована теплоизоляцией 16. К нижней части боковой стенки полости 2 подсоединен входной патрубок 17 с обратным клапаном 40

18, а к крышке 19 конической формы в ее вершине подключен выходной патрубок 20 с обратным клапаном 21, Каналы двигателя заполнены рабочей жидкостью, выполняющей одновременно роль рабочего тела и 45 жидкого поршня, а часть объема испарителя заполнена смесью пара рабочей жидкости и неконденсирующихся в диапазоне рабочих температур газов. Для улучшения условий передачи тепла от горячей жидкости к рабо- 50 чему телу в испарителе парожидкостного двигателя всасывающий патрубок перед подключением к полости насоса в зоне между перегородкой и мембраной проходит через ее основание в виде параллельных 55 каналов, а затем за счет установки в полости насоса поперечной горизонтальной перегородки 22, переключающей часть сечения полости, горячая вода проходит вдоль поверхности упругой мембраны 3.

Парожидкостный двигатель работает следующим образом, Для запуска парожидкостного двигателя в полость 2 гидравлического насоса подают подлежащую перемещению насосом среду, например, теплую воду из солнечного коллектора. Через стенки испарителя 1 теплоту перекачиваемой среды получает находящееся в испарителе рабочее тело в виде парогазовой смеси и жидкости. Жидкость рабочего тела закипает, а неконденсирующийся газ нагревается, что приводит к увеличению количества пара в испарителе 1 и к увеличению в нем давления парогазовой смеси, Под действием этого давления упругая мембрана 3 испарителя выпучивается, увеличивая обьем испарителя 1, При этом происходит уменьшение объема полости 2 насоса с возрастанием давления в ней и, как следствие, вытеснение из полости 2 насоса перекачиваемой среды в распылительные сети системы отопления и горячего водоснабжения.

Под действием давления парогазовой смеси рабочая жидкость перемещается по внутренней 8 и наружной 10 трубами и поступает соответственно во всасывающую 9 и нагнетательную 11 трубы. Поскольку диаметр внутренней трубы 8 значительно меньше диаметра всасывающей трубы 9, а диаметр наружной трубы 11 значительно больше диаметра нагнетательной трубы 11, подъем жидкости в нагнетательной трубе 11 будет существенно выше, чем во всасывающей трубе 9. В результате замыкание конца нагнетательной трубы 11 на всасывающую трубу 9 через камеру 14, заполненную неконденсирующимся газом, обеспечивает, во-первых, циркуляцию рабочей жидкости в контуре парожидкостного двигателя и, вовторых, насыщение рабочей жидкости неконденсирующимся газом при ударе струи жидкости, выходящей из конического участка 15 нагнетательной трубы 11, о ее поверхность в камере 14, при котором происходит захват жидкой струей неконденсирующегося газа, причем размещение камеры 14 в наиболее холодной части контура двигателя позволяет обеспечить максимальное насыщение рабочей жидкости неконденсирующимся газом.

Процесс расширения парогазовой смеси над жидкостью в парожидкостном канале протекает по принципу затопленных парогазовых струй с образованием в жидкости в конце рабочего хода парогазовых пузырьков и образованием значительного прогиба поверхности жидкости на границе раздела фаз с увеличением площади этой поверхности. Это позволяет интенсифицировать про1776824 цесс конденсации отработанного пара в конце рабочего хода за счет увеличения теплообменной поверхности между паром и жидкостью при образовании конуса конденсации и парогазовых пузырьков, Интенсификация процесса конденсации отработанного пара ускоряет этот процесс и обеспечивает более полную конденсацию отработанного пара. Пои этом часть образовавшихся пузырьков будет уноситься с жидкостью в нагнетательную трубу 11, а из нее — в камеру 14.

Энергия, затраченная на поднятие столба жидкости в полости 2 насоса, при увеличении объема полости испарителя 1 возвращается в цикл, когда давление парогазовой смеси снижается в процессе ее расширения с совершением работы по перемещению жидкого поршня и становится ниже давления столбы жидкости в полости 2 насоса, которое начинает выталкивать парогазовую смесь из испарителя, обеспечивая возможность преобразования энергии вытесненной из испарителя парогазовой смеси, а также энергия столба жидкости.в полости 2 насоса, в дополнительную работу по перемещению рабочей жидкости s процессе рабочего хода. Кроме того, вытеснение парогазовой смеси из испарителя обеспечивает уменьшение мертвого объема двигателя, что свидетельствует о более глубоком преобразовании энергии парогазовой смеси в работу, что при наличии изменяющейся площади теплообменной поверхности повышает термодинамическую эффективность цикла предложенного двигателя.

После конденсации отработанного пара, охлаждения неконденсирующегося газа и отвода тепла от рабочей жидкости в холодильнике 7, завершаются процессы рабочего хода. Как только давление парогазовой смеси в рабочем объеме за счет конденсации отработанного пара и перехода части газа в жидкость в виде пузырьков станет ниже давления в камере, начнется обратное движение жидкости в обоих U-образных каналах в сторону испарителя.

При обратном ходе жидкость, во внутренней трубе 8, насыщенная неконденсирующимся газом, будет двигаться со значительно большей скоростью, чем в межтрубном пространстве. Поскольку эта жидкость является более холодной, чем жидкость в межтрубном пространстве, то при своем движении в сторону испарителя

1 она будет отбирать тепло от жидкости, движущейся в межтрубном пространстве, обеспечивая процесс регенеративного подогрева рабочей жидкости во внутренней трубе 8, движущейся в сторону испарителя

1. Нагрев насыщенной неконденсирующим5

55 ся газом жидкости сопровождается выделением газа в виде пузырьков и испарением в них пара, за счет чего пузырьки будут увеличиваться в размерах. При понижении давления рабочего тела пузырьки смеси неконденсирующихся газов являются очагами испарения в них окружающей рабочей жидкости и аккумулируют ее тепловую энергию. Испарение рабочей жидкости в объем пузырьков сопровождается ее охлаждением, в результате чего уменьшается количество тепла, передаваемого от рабочего тела окружающей среде в холодильнике 7. Таким образом, в предложенном двигателе осуществляется двухступенчатая регенерация отработанного тепла, что существенно повышает его термодинамическую эффективность по сравнению с прототипом. После того как рабочая жидкость с парогазовыми пузырьками, движущимися по внутренней трубе 8, достигнет конического участка с отверстиями, часть ее вместе с пузырьками будет попадать в межтрубное пространство и затем смешиваться с рабочей жидкостью, находящейся в ней, а другая часть в виде брызг от лопнувших пузырьков направится в испаритель 1, Жидкость, попавшая в межтрубное пространство, обеспечивает конденсацию отработанного пара. Парообраэование жидкости на теплообменной поверхности испарителя 1 приведет к повышению давления парогазовой смеси в рабочем объеме, в результате чего произойдет упругая деформация мембраны 3 испарителя 1, что приведет к многократному увеличению теплообменной поверхности испарителя 1.

Кроме того, повышение давления в рабочем объеме приведет к концентрации пузырьков у границы раздела фаз в межтрубном пространстве при приближении жидкого поршня к испарителю 1 и их несимметричному схлопыванию с образованием высокоскоростных струй из окружающей пузырьки жидкости, нагреваемой в процессе их схлопывания. Эти струи практически мгновенно попадают в испаритель 1 и распределяются по всей теплообменной поверхности. Возможно также, что при движении рабочей жидкости к испарителю 1 часть ее, насыщенная парогазовыми пузырьками в виде пены, войдет в испаритель

1, Однако в обоих случаях в испаритель попадает ограниченное количество жидкости, которая полностью испаряется на теплообменной поверхности испарителя 1. Жидкий поршень при обратном ходе останавливается у входа в испаритель 1 из-за резкого увеличения давления в рабочем объеме в результате описанных выше процессов, что

1776824 существенно уменьшит необратимые потери на нагревание жидкости и последующего отвода этого тепла без совершения работы.

Перед входом в испаритель 1 пузырьки сжимаются с повышением термодинамического потенциала их содержимого, которое выбрасывается иэ жидкого поршня в испаритель 1, с образованием брызг и струй, возвращая тем самым в зону нагрева парогазовую смесь повышенного потенциала для повторного использования, а также дозированное количество жидкости.

На этом завершаются процессы обратного хода, после чего термодинамический цикл повторяется в указанной последовательности, Унос иэ рабочего объема с пузырьками неконденсирующегося газа в процессе рабочего хода компенсируется постоянным подводом такого же количества неконденсирующегося газа в рабочий объем с жидкостью, насыщенной этим газом, подаваемой по внутренней трубе 8 во время обратного хода, что позволяет поддерживать в рабочем объеме постоянное количество неконденсирующегося газа. Это позволяет существенно повысить устойчивость и надежность двигателя в работе, а отсутствие обратных клапанов в контуре двигателя обеспечивает дополнительное повышение его надежности.

Таким образом, предложенный двигатель обладает повышенным КПД, высокой устойчивостью и надежностью в работе за счет двойной регенерации энергии, повышенной теплообменной поверхности испарителя, минимального мертвого объема, поддержания постоянного количества неконденсирующегося газа в рабочем объеме и отсутствием обратных клапанов в контуре парожидкостного двигателя.

Формула изобретения

Парожидкостный двигатель, содержащий последовательно соединенные между собой испаритель, парожидкостный канал, холодильник и всасывающе-нагнетательную трубу, заполненные рабочей жидкостью, образующей жидкостной поршень, а

45 также клапанный гидравлический насос и камеру, заполненную газовой смесью, о тл ича ющий с я тем, что, с целью повышения КПД, эффективности преобразования работы термодинамического цикла, устойчивости и надежности работы, испаритель совмещен с клапанным гидравлическим насосом для перекачки горячей жидкости, последний выполнен в виде теплоизолированной полости с отверстием в основании, соединенным с парожидкостным каналом, в нижней части боковой стенки насоса подключен входной патрубок, а к вершине крышки, имеющей коническую форму. подключен выходной патрубок, при этом в полости насоса установлена упругая мембрана, жестко закрепленная по периметру корпуса с образованием полости испарителя переменного объема, часть объема которого заполнена смесью пара рабочей жидкости и неконденсирующихся в диапазоне рабочих температур газов, парожидкостный канал и холодильник выполнены в виде двух вертикально установленных коаксиальных труб, нижний конец внутренней трубы подсоединен к всасывающей трубе большого сечения с образованием канала U-образной формы, нижний конец наружной трубы подсоединен к нагнетательной трубе меньшего сечения с образованием канала О-образной формы, верхний участок внутренней трубы выполнен в форме конуса, вершина которого расположена на входе в испаритель, на боковой поверхности последнего выполнены отверстия, верхняя часть всасывающей трубы совмещена с камерой. заполненной газовой смесью, в которой герметично установлен выходной участок нагнетательной трубы, выполненный в виде усеченного конуса с центральным отверстием, обращенным к поверхности рабочей жидкости, насос снабжен горизонтальной перегородкой, закрепленной на стенке корпуса с возможностью частичного перекрытия полости насоса, а входной патрубок проходит через днище корпуса насоса и подключен к отверстию в его боковой стенке в зоне между перегородкой и мембраной.

1776824

Составитель И.Атманов

Редактор Т.Иванова Техред М.Моргентал Корректор С.Патрушева

Заказ 4107 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул,Гагарина, 101