Парожидкостный двигатель

 

Сущность изобретения: двигатель содержит последовательно соединенные испаритель 1, парожидкостчой адиабатический канал 2 и холодильник 3. Испаритель 1 выполнен в виде заглушенного с торца канала, стенки которого с наружной и внутренней стороны снабжены продольными ребрами 4 и 5 соответственно, причем внутренние ребра 5 вместе с внутренней поверхностью испарителя 1 покрыты слоем капиллярно-пористого материала, а парожидкостной канал 2 с внутренней стороны на границе с холодильником 3 снабжен турбулизатором, который может быть выполнен в виде решетки 7 с крупными ячейками. Холодильник 3 подключен к нагнетательно-всасывающей трубе 8, соединенной с клапанным насосом, выполненным в виде трубы с нагнетательным 9 и всасывающим 10 участками с установленными в них обратными клапанами 11 и 12 соответственно. Испаритель 1, парожидкостной канал 2 и холодильник 3 заполнены рабочей жидкостью 13, выполняющей одновременно роль рабочего тела и жидкого поршня, а между рабочей 13 и перекачиваемой насосом жидкостями размещена промежуточная жидкость 14, не допускающая смещения с ними. 2 з. п. ф-лы, 2 ил. Ј Фиг 2 VJ Ч| О 00 VJ О

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (si)s F 03 G 7/06

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4902769/06 (22) 16.01,91 (46) 23.11,92. Бюл. М 43 (75) И. Г. Атманов (56) Авторское свидетельство СССР

hb 675198, кл. F 01 К 19/08, 1977, Патент США N 3139837, кл.417 — 1 05, 1964. (54) ПАРОЖИДКОСТНОЙ ДВИГАТЕЛЬ (57) Сущность изобретения: двигатель содержит последовательно соединенные испаритель 1, парожидкостчой адиабатический канал 2 и холодильник 3. Испаритель 1 вы полнен в виде заглушенного с торца канала, стенки которого с наружной и внутренней стороны снабжены продольными ребрами 4 и

5 соответственно, причем внутренние ребра

5 вместе с внутренней поверхностью испарителя 1 покрыты слоем капиллярно-пористого

Я2, 1776876 А1 материала, а парожидкостной канал 2 с внутренней стороны нэ границе с холодильником 3 снабжен турбулизатором, который может быть выполнен в виде решетки 7 с крупными ячейками. Холодильник 3 подключен к нагнетательно-всасывающей трубе 8, соединенной с клапанным насосом, выполненным в виде трубы с нагнетательным 9 и всасывающим 10 участками с установленными в них обратными клапанами 11 и 12 соответственно. Испаритель 1, парожидкостной канал 2 и холодильник 3 заполнены рабочей жидкостью 13, выполняющей одновременно роль рабочего тела и жидкого поршня, а между рабочей 13 и перекачиваемой насосом жидкостями размещена промежуточная жидкость 14, не дойускающая смещения с ними. 2 з. п. ф-лы, 2 ил.

1776876

Изобретение относится к тепловым двигателям, а именно к двигателям внешнего нагрева с жидким поршнем и может найти применение в качестве привода насосов, Известен парожидкостной двигатель, содержащий последовательно соединенные испаритель, парожидкостной канал, холодильник и нагнетательно-всасывающую трубу, заполненные жидкостью, выполняющей одновременно роль рабочего тела и жидкого поршня, а испаритель со стороны, противоположной парожидкостному каналу, соединен с последним дополнительным трубопроводом, который снабжен камерой, заполненной газовой смесью. Недостатком этого устройства является постепенно уменьшение количества неконденсирующегося газа в рабочей зоне двигателя за счет перехода части парогазовых пузырьков, образующихся в жидком поршне при осуществлении процессов термодинамического цикла, в нагнетательно-всасывающую 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 уменьшению эффективности термодинамического цикла за счет увеличения необратимых потерь, Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является парожидкостной двигатель, содержащий последовательно соединенные испаритель, парожидкостной канал, холодильник и нагнетательно-всасывающую трубу, соединенную с клапанным гидравлическим насосом, образующим канал U-образной формы, причем испаритель, парожидкостной канал и холодильник заполнены рабочей жидкостью, выполняющей одновременно роль рабочего тела и жидкого поршня, а между рабочей и перекачиваемой насосом жидкостями в U-образном канале размещена промежуточная жидкость, инертная по отношению к рабочей и перекачиваемой жидкостям и недопускающая смешения с ними, плотность которой выше плотности рабочей и перекачиваемой насосом жидкости, Недостатком данного устройства является низкий КПД парожидкостного цикла из-за больших необратимых потерь, связанных с тем, что при входе жидкости в испаритель только незначительная часть после нагревания переходит в пар, а остальная жидкость, вошедшая в испаритель, нагревается и необратимо уносит значительную часть теплоты из испарителя без преобразованн ия в работу.

Цель изобретения — повышение КПД, устойчивости и надежности работы.

Поставленная цель достигается тем, что в парожидкостном двигателе, содержащем последовательно соединенные испаритель с продольными ребрами с внешней стороны, парожидкостной канал, холодильник и нагнетательно-всасывающую трубу, соединенную с клапанами гидравлическим насосом, образующие канал U-образной формы, причем испаритель, парожидкостной канал и холодильник заполнены рабочей жидкостью, выполняющей одновременно роль рабочего тела и жидкого поршня, а между рабочей и перекачиваемой насосом жидкостями в U-образном канале размещена промежуточная жидкость, инертная по отношению к рабочей и перекачиваемой жидкостям и не допускающая смешения с ними, плотность которой выше плотности рабочей и перекачиваемой насосом жидкости, согласно изобретения, парожидкостной канал с внутренней стороны на границе с холодильником снабжен турбулизатором, а испаритель с внутренней стороны имеет продольные ребра покрытые слоем капиллярно-пористого материала, при этом часть объема испарителя заполнена смесью пара рабочей жидкости и неконденсирующихся в диапазоне рабочих температур газов, при этом турбулизатор выполнен либо в виде кольцевых выступов с внутренней стороны парожидкостного канала на границе с холодильником, либо в виде нескольких решеток, установленных внутри парожидкостного канала в его поперечном сечении на границе с холодильником, Сопоставительный анализ заявляемого решения и прототипа показывает, что парожидкостной двигатель отличается от известного испарителем, имеющим развитую теплообменную поверхность в виде внутренних продольных ребер, которые вместе с внутренней поверхностью испарителя покрыты слоем капиллярно-пористого материала, что улучшает условия теплообмена между нагревающей средой и рабочим телом двигателя, в результате повышается выработка парэ s испарителе и, как следствие, повышается единичная мощность двигателя, Заполнение части объема испарителя неконденсирующимся газом или смесью газов обеспечивает повышение термодинамической эффективности цикла за счет эффекта, связанного с образованием пузырьков в жидкости, которые в результате гидродинамических процессов обеспечивают впрыск в испаритель дозированного количества жидкости, полностью переходящей в парообразное состояние. повышают максимальное давление в рабочем объеме дви а1776876

10

25

45

55 теля и обеспечивают регенерацию отработанного тепла. Снабжение же парожидкостного адиабатического участка на границе с холодильником турбулизатором позволяет повысить интенсивность образования пузырьков в конце рабочего хода за счет турбулиэации потока в момент прохождения через турбулизатор границы раздела фаз.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема парожидкостного двигателя; на фиг.

2 — вариант выполнения турбулизатора в виде решетки с крупными ячейками.

Двигатель содержит последовательно соединенные испаритель 1, парожидкостной адиабатический канал 2 и холодильник

3. Испаритель 1 выполнен в виде заглушенного с торца канала, стенки которого с наружной и внутренней стороны снабжены продольными ребрами 4 и 5 соответственно, причем внутренние ребра 5 вместе с внутренней поверхностью испарителя 1 покрыты слоем капиллярно-пористого материала, а парожидкостной канал 2 с внутренней стороны на границе с холодильником 3 снабжен турбулизатором, который может быть выполнен либо в виде решетки 7 с крупными ячейками. Холодильник 3 подключен к нагнетательно-всасывающей трубе 8, соединенной с клапанным насосом, выполненным в виде трубы с нагнетательным 9 и всасывающим 10 участками с установленными в них обратными клапанами 11 и 12 соответственно. Испаритель 1, парожидкостной канал 2 и холодильник 3 заполнены рабочей жидкостью 13, выполняющей одновременно роль рабочего тела и жидкого поршня, а между рабочей 13 и перекачиваемой насосом жидкостями размещена промежуточная жидкость 14, не допускающая смешения с ними.

Парожидкостной двигатель работает следующим образом.

Перед началом работы двигатель и насос заправляются рабочей жидкостью 13, промежуточной жидкостью 14 и перекачиваемой насосом жидкостью, а в испаритель

1 вводится неконденсирующийся газ в количестве составляющем часть объема испарителя 1. Затем к рабочему телу в испаритель

1 подводится, а в холодильнике 3 от него отводится теплота. В испарителе 1 тепло нагревающей среды передается рабочему телу в виде парогазовой смеси и жидкости.

Парогазовая смесь нагревается, а жидкость рабочего тела после нагревания в результате кипения частично переходит в пар, что приводит к увеличению количества пара в испарителе 1 и к увеличению в нем давления парогазовой смеси. Под действием давления парогазовой смеси рабочая жидкость перемещается по парожидкостному адиабатическому каналу 2 и холодильнику 3. Вместе с рабочей жидкостью no U-образному каналу перемещается промежуточная жидкость и перекачиваемая, которая открывает обратный клапан 11 на нагнетательном патрубке 9 насоса и вытесняется иэ него для дальнейшего использования.

Процесс расширение 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 процесс конденсации отработанного пара в конце рабочего хода эа 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.

Размещение турбулизатора в парожидкостном канале 2 на границе с.холодильником 3 позволяет интенсифицировать процесс образования пузырьков s конце рабочего хода жидкого поршня, поскольку при движении границы раздела фаз через турбулиэатор происходит дополнительное завихрение жидкости вблизи границы раздела фаэ, При этом, образование дополнительного количества пузырьков происходит как при рабочем, так и при обратном ходе в момент прохождения границы раздела фаз в зоне турбулизатора, При небольших диаметрах парожидкостного адиабатического канала 2 наиболее эффективным является выполнение турбулиэатора в виде кольцевых выступов 6, так как турбилизация границы раздела фаэ в виде конуса в пристенной области парожидкостного канала 2 приводит к более интенсивному образованию пузырьков в ядре потока, чем при выполнении турбулиэатора в виде решетки 7. Увеличение же диаметра парожидкостного канала 2 будет снижать эффективность турбулизации адрес потока с помощью кольцевых выступов 6, поэтому при больших диаметрах парожидкостного канала 2 более эффективным является турбулиэация жидкости вблизи границы раздела фаз с помощью турбулизатора, выполненного в виде решетки 7 с крупными ячейками, Введение турбулизатора в парожидкостной двигатель, увеличивающего количество пузырьков в жидкости в конце рабочего хода, позволяет увеличить количество жидкости впрыскиваемой в виде струй и брызг в испа1776876

30

45

55 ритель, что увеличивает единичную мощность двигателя, Кроме того, промежуточная жидкость предотвращает потерю неконденсирующегося газа из рабочего объема двигателя, так как она является более плотной, чем рабочая жидкость, и не допускает проникновения в нее парогазовых пузырьков, что повышает устойчивость и надежность работы двигателя по парогазовому жидкопоршневому термодинамическому циклу.

Процессы рабочего хода включают следующие:

1. Расширение рабочего тела с подводом тепла и совершением работы; 2. Конденсацию пара из парогазовой смеси в конце рабочего хода на поверхности жидкости, инжектируемой иэ пристенного слоя в зону конденсации; 3. Образование газовых пузырьков в основном потоке жидкости; 4.

Понижение давления в рабочем объеме ниже давления насыщения жидкости, инжектируемой в основной поток; 5, Отвод в холодильнике части отработанного тепла, переданного жидкости основного потока.

После остановки жидкого поршня, под действием разницы давлений, образовавшегося в конце рабочего хода, начинается ускоренное движение рабочей жидкости вместе с парогазовыми пузырьками, а также вместе с промежуточной и перекачиваемой жидкостями в обратную сторону к испарителю 1. В связи с тем, что давление в рабочем объеме двигателя к концу рабочего хода становится ниже давления во всасывающей трубе 10 перед обратным клапаном 12, происходит закрытие клапана 11 на нагнетательном трубопроводе 9 насоса и открытие обратного клапана 12 на всасывающем трубопроводе 10. В результате в нагнетательно-всасывающему трубопроводу 10. При понижении давления рабочей жидкости пузырьки смеси неконденсирующихся газов являются очагами испарения в них окружающей рабочей жидкости и аккумулируют ее тепловую энергию. Испарение рабочей жидкости в объеме пузырьков сопровождается ее охлаждением, в результате чего уменьшается количество тепла передаваемого от рабочей жидкости окружающей среде в холодильнике 3. При ускоренном движении двухфазного потока парогазовые пузырьки, имеющие значительно меньшую присоединенную массу, должны приобрести большее ускорение по сравнению с жидкостью, что приведет к концентрации их у границы раздела фаз, По мере приближения к поверхности раздела фаз пузырьки будут попадать в область более низкого давления и их размеры будут увеличиваться, а давление понижаться. Понижение давления в.пузырьках приведет к дальнейшему испарению в них жидкости и, следовательно, к дальнейшему ее охлаждению, Ряд пузырьков, достигших границы с рабочим объемом, разрываются с выбросом парогазовой смеси в рабочий объем и образованием над жидкой фазой мелких капель, которые будут попадать в испаритель 1 и испаряться, повышая давление в рабочем объеме парожидкостного двигателя. Повышение давления в рабочем объеме приведет к дальнейшей концентрации пузырьков у границы раздела фаз при приближении рабочей жидкости к испарителю 1 и их несимметричному схлопыванию с образованием высокоскоростных струй из окружающей пузырьки жидкости, нагреваемой в процессе их схлопывания. Эти струи практически мгновейно попадают в испаритель 1 на развитые поверхности с пористым покрытием 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 обеих случаях в испаритель попадает ограниченное, дозированное количество жидкости, которая полностью испаряется на теплообменной поверхности испарителя 1.

Жидкость при обратном ходе останавливается у входа в испаритель 1 из-за резкого увеличения давления в рабочем объеме в результате описанных выше процессов, что существенно уменьшает необратимые потери на нагревание жидкости и последующего отвода тепла без совершения работы. Перед входом в испаритель 1 пузырьки сжимаются с повышением термодинамичеекого потенциала их содержимого, которое выбрасывается из рабочей жидкости 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.

Таким образом, предложенный двигатель обладает повышенным КПД, высокой устойчивостью и надежностью работы за счет реализации регенеративного парогазового жидкопоршневого термодинамического цикла, возможность которого связана с образованием в рабочей жидкости пузырьков при введении в испаритель неконденсирующегося в диапазоне рабочих температур газа или смеси газов, размещением в парожидкостном канале на границе с холодиль1776876

Составитель С.Лохвицкий

Техред М.Моргентал Корректор Н.внучок

Редактор Т.Шагова

Заказ 4110 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 ником турбулизатора, а также предотвращением уноса из рабочего объема неконденсирующегося газа и выполнением испарителя с развитой теплообменной поверхностью.

Формула изобретения 5

1. Парожидкостный двигатель, содержащий последовательно соединенные испаритель с продольными ребрами с внешней стороны, парожидкостный канал, холодильник и нагнетательно-всасываю- 10 щую трубу, соединенную с клапанным гидравлическим насосом, образующим канал

0-образной формы, причем испаритель, парожидкостный канал и холодильник заполнены рабочей жидкостью, выполняющей 15 одновременно роль рабочего тела и жидкого поршня, а между рабочей и перекачиваемой насосом жидкостями в U-образном канале размещена промежуточная жидкость, инертная по отношению к рабочей и 20 перекачиваемой жидкостям и не допускающая смешения с ними, плотность которой выше плотности рабочей и перекачиваемой насосом жидкости, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД, устойчивости и надежности работы, парожидкостный канал с внутренней стороны на границе с холодильником снабжен турбулизатором, а испаритель с внутренней стороны имеет продольные ребра, которые покрыты слоем капиллярно-пористого материала, при этом часть объема испарителя заполнена смесью пара рабочей жидкости и неконденсирующихся в диапазоне рабочих температур газов, 2, Двигатель по и, 1, отличающийся тем, ч1Ь турбулизатор выполнен в виде кольцевых выступов с внутренней стороны парожидкостного канала на границе с холодильником.

3.Двигатель по и. 1, отличающийся тем, что турбулизатор выполнен в виде нескольких решеток, установленных внутри парожидкостного канала в его поперечном сечении на границе с холодильником,