Парожидкостный жидкопоршневой двигатель

 

Использование: в качестве привода насосов , вентиляторов,электрогенераторов,а также в качестве двигателей плавучих, колесных и летательных аппаратов. Сущность изобретения: двигатель содержит гидротурбину для преобразования энергии струй жидкости во вращательное движение вала, размещенную в верхней части камеры 22, частично заполненной газовой смесью и расположенной выше испарителя 1. Нагреватель испарителя 1 выполнен в виде камеры 7 сгорания с топливои воздухопроводами. Испаритель 1 и камера 7 сгорания имеют теплоизоляционную оболочку 12 в виде перевернутого стакана, установленного в корпусе испарителя. Воздуховод выполнен охватывающим корпус испарителя с образованием регенеративного воздухоподогревателя 13, Па.рожидкостны й канал выполнен в виде двух коаксиально расположенных труб, в полости между которыми установлены вставки 29 и 30 с продольными каналами. Верхняя часть внутренней трубы имеет размещенную на входе в испаритель 1 полую конусную насадку с отверстиями в боковой поверхности у основания конуса. Нагнетательно-всасывающий элемент выполнен в виде нагнетательного и всасывающего трубопроводов соответственно 19 и 17, расположенных в вертикальной плоскости с образованием U-образных трактов, при этом указанные трубопроводы одним концом подсоединены соответственно к нижним концам наружной и внутренней труб парожидкостного канала 2, а другим - к сопловому аппарату 27 гидротурбины и нижней части камеры 22. На наружной поверхности парожидкостного канала 2 и нагнетательного трубопровода 19 размещен холодильник 3. 2 з.п.ф-лы, 4 ил ю ND О О о о СА) о

(51)5 F 01 К 19/08

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

° it%

К ПАТЕНТУ

Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам (21) 4938295/06 (22) 23.05.91 (46) 15,02.93. Бюл. № 6 (76) И,Т.Атманов и Е.А.Атманова (56)1, Патент США № 3139837, кл. 417-105, 1974.

2. Васильев А.С. и др, Закономерности истечения струи газа в жидкости. ТОХТ, 1970, т.!Ч, № 5.

3. Гликман Б.Ф, Экспериментальное исследование конденсации струи пара в пространстве, заполненном жидкостью. АН

СССР, ОТН. Энергетика и автоматика, Q 1,, 1959.

4. Кутателадзе С.С. и др. Гидродинамика газожидкостных систем, М.: Энергия, 1976, 5. Воинов О.В. и др. Движение сферы переменного объема в идеальной жидкости.

АН СССР, Механика жидкости и газа, № 5, 1971, с.94-103.

6. Авторское свидетельство СССР

¹ 675198, кл. F 01 К 19/08, 1979. (54) ПАРОЖИДКОСТНЫЙ ЖИДКОПОРШ"

НЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ (57) Использование: в качестве привода насосов, вентиляторов, электрогенераторов, а также в качестве двигателей плавучих, колесных и летательных аппаратов. Сущность изобретения: двигатель содержит гидротурбину для преобразования энергии струй жидкости во вращательное движение вала, размещенную в верхней части камеры 22, Изобретение относится к области тепловых двигателей, а более конкретно к двигателям внешнего нагрева с жидкий поршнем, и может найти применение в качестве привода насосов, вентилятороа, Р0„„2000013 С частично заполненной газовой смесью и расположенной выше испарителя 1. Нагреватель испарителя 1 выполнен в виде камеры 7 сгорания с топливо- и воздухопроводами.

Испаритель 1 и камера 7 сгорания имеют теплоизоляционную оболочку 12 в виде перевернутого стакана, установленного в корпусе испарителя. Воздуховод выполнен охватывающим корпус испарителя с образованием регенеративного воздухоподогревателя 13, Парожидкостный канал выполнен в виде двух коаксиально расположенных труб, в полости между которыми установлены вставки 29 и 30 с продольными каналами, Верхняя часть внутренней трубы имеет размещенную на входе в испаритель 1 полую конусную насадку с отверстиями в боковой поверхности у основания конуса. Нагнетательно-всасывающий элемент выполнен в виде нагнетательного и всасывающего трубопроводов соответственно 19 и 17, расположенных в вертикальной плоскости с образованием 0-образных трактов, при этом указанные трубопроводы одним концом подсоединены соответственно к нижним концам наружной и внутренней труб парожидкостного канала 2, а другим — к сопловому аппарату 27 гидротурбины и нижней части камеры 22. На наружной поверхности парожидкостного канала 2 и нагнетательного трубопровода 19 раз лещен холодильник 3. 2 з,п.ф-лы, 4 ил. электрогенераторов, а также в качестве двигателей плавучих, колесных и летательных транспортных срвдств.

Целью изобретения является повышение эффективности.

2000013

На фиг.1 изображена принципиальная схема парожидкостного жидкопоршневого двигателя; на фиг.2 — поперечное сечение

А-А камеры сгорания с испарителем; на фиг.3 — поперечНое сечение Б-Б парожидкостного канала(вариант с квадратными каналами во,вставках); на фиг.4 — поперечное сечение Б-Б парожидкостного канала(вариант выполнения камалов в форме равносторонних треугольников).

Двигатель содержит последовательно соединенные испаритель 1, парожидкостный канал 2 и холодильник 3. Испаритель 1 образован двумя коаксиально расположенными трубами 4 и 5, межтрубное пространство между которыми с одной стороны герметично заглушено, а с другой — подключено к парожидкостному каналу 2. В пространстве между трубами 4 и 5 испарителя

1 установлены продольные перфорированные ребра в виде зигзагообразной ленты 6, которая в местах изгибов соединена с внутренней 4 и наружной 5 трубами. Внутренняя полость внутренней трубы 4 испзрителя 1 образует камеру сгорания 7. Основание . внутренней трубы 4 испарителя 1 герметично закрыто заглушкой 8 конической формы.

В основании внутренней трубы 4 испарителя установлены горелка 9, к которой подключены топливопровод 10 и воздуховод 11.

В варианте двигателя с твердотопливной камерой сгорания в основании внутренней трубы и испарителя 1 установлен под (на фиг.1 не показан), а в стенках испарителя 1 выполнен герметичный проем для загрузки твердого топлива (на фиг.1 не показан). Под подом установлен воздуховод для подачи воздуха в камеру сгорания 7. Вокруг испарителя 1 размещена теплоизоляционная оболочка 12. Теплоизоляционная оболочка

12 выполнена в виде перевернутого стакана и установлена с зазором по отношению к наружной поверхности испарителя 1. Вокруг теплоизоляционной оболочки 12 размещена с зазором полая обечайка, выполняющая роль регенеративного воздухоподогревателя 13 с входным патрубком

14. В верхней части воздухоподогревателя установлена тяговая труба 15. Парожидкостный канал 2 и часть холодильника 3 выполнены в виде двух коаксиальных труб, расположенных вертикально, причем нижний конец внутренней трубы 16 подсоединен к всасывающей трубе 17 большего сечения с образованием канала U-образной формы. а нижний конец наружной трубы 18 подсоединен к нагнетательной трубе 19 меньшего сечения также с образованием канала U-обрезной формы. при этом верхний участок 20 внутренней трубы 16 имеет форму конуса с вершиной, расположенной на входе в испаритель 1, на боковой поверхности которого у его основания выполнены отверстия 21, а верхняя часть всасывающей трубы 17 подключена к камере 22, частично заполненной газовой смесью 23, в которой над уровнем жидкости 24 установлено рабочее колесо 25 гидротурбины, а вал 26 рабочего колеса 25 гидротурбины имеет

10 герметичный выход эа пределы камеры 22.

Часть теплообменной поверхности холодильника 3 размещена на участке нагнета. тельной трубы 19, которая герметично введена в камеру 22, выход которой уста15 новлен соосно с рабаним колесом 25 турбины и подключен к сопловому аппарату 27, размещенному внутри рабочего колеса 25 в центральной его части и содержащему по крайней мере два сопла 28, В парожидкост20 ном канале 2 между внутренней 16 и наружной 18 трубами, а также во внутренней трубе

16 размещены вставки 29 и 30 соответственно, выполненные в виде продольных каналов одинакового сечения и формы, причем

25 каналы во вставках 29 и 30 могут иметь в сечении либо форму квадрата, либо форму равностороннего треугольника. Контур двигателя заполнен рабочей жидкостью 24, при этом часть объема испарителя 1 заполнена

30 смесью пара рабочей жидкости 24 и неконденсирующихся в диапазоне рабочих температур газов. В камере 22 под рабочим колесом 25 установлен направляющий желоб 31. Парожидкостный жидкопоршневой

35 двигатель работает следующим образом.

Перед началом работы двигатель заправляют рабочей жидкостью, а в испаритель 1 и камеру 22 вводится неконденсирующийся в диапазоне рабочих

40 температур гзз. Затем к рабочему телу в испаритель 1 подводится, а в холодильнике

3 от него отводится теплота. Теплота нагревающей среды передается рабочему телу в виде парогазовой смеси и жидкости, Æ ð45 кость рабочего тела закипает, а неконденсирующийся газ нагревается, что приводит к увеличению давления парогазовой смеси.

Поддействием давления парогазовой смеси рабочая жидкость перемещается по внут50 ренней трубе 16 и межтрубному пространству парогазожидкостного канала 2 через каналы вставок 29 и 30 и по каналу холодильника 3, а затем поступает соответственно во всасывающую 17 и нагнетательную 19

55 трубы. Поскольку диаметр внутренней трубы 16 значительно меньше диаметра всасывающей трубы 17, а диаметр наружной трубы 18 значительно больше диаметра нагнетзтельной трубы 19, подъем жидкости в нагнетательной трубе 19 будет существенно

2000013 выше, чем во всасывающей 17. В результате замыкание конца нагнетательной трубы 19 на всасывающую 17 через турбину с сопловым аппаратом 27 и рабочим колесом 25, размещенными в камере 22, обеспечивает, 5 во-первых, преобразование кинетической энергии струи жидкости в крутящий момент на валу 26 рабочего колеса 25 турбины, вовторых, циркуляцию рабочей жидкости в контуре парожидкостного жидкопоршнево- 10 го двигателя и, в-третьих, насыщение рабочей жидкости 24 неконденсирующимся газом струями жидкости, выходящими из межлопаточных промежутков рабочего колеса 25 и стекающими по направляющему 15 желобу 31. которые при ударе о поверхность жидкости 24 захватывают неконденсирующийся газ, причем размещение камеры 22 в наиболее холодной части контура двигателя позволяет обеспечить максимальное насы- 20 щение рабочей жидкости неконденсирующимся газом, Процесс расширения парогазовой смеси над жидкостью в парожидкостном канале 2, как показали исследования на 25 стеклянных моделях, протекает по принципу затопленных парогазовых струй (2) с образованием в жидкости в конце рабочего тела парогазовых пузырьков и образованием значительного прогиба поверхности 30 жидкости с увеличением площади этой поверхности. Это позволяет интенсифицировать процесс конденсации отработанного пара в конце рабочего хода за счет увеличения теплообменной поверхности между па- 35 ром и жидкостью при образовании конуса конденсации и парогазовых пузырьков. Интенсификация процесса конденсации отработанного пара ускоряет этот процесс и обеспечивает более полную его конденса- 40 цию. При этом часть образовавшихся пузырьков будет уноситься с жидкостью в нагнетательную трубу 19, а из нее в камеру

22. После конденсации отработанного пара, охлаждения неконденсирующегося газа и 45 отвода тепла от рабочей жидкости в холодильнике 3 завершаются процессы рабочего хода. Как только давление парогазовой смеси в рабочем обьеме за счет конденсации отработанного пара и перехода части 50 газа в жидкость в виде пузырьков станет ниже давления в камере, начинается обратное движение жидкости в обоих О-образных каналах в сторону испарителя 1.

Увеличение количества пузырьков, об- 55 разующихся в жидкости в конце рабочего хода, при размещении в парогаэожидкостном канале 2 вставок 29 и 30 с продольными каналами одинаковой формы и сечения, заполняющих Вср. сечение межтрубного пространства и внутренней трубы 16, обусловлено следующим. Образование пузырьков в жидкости, движущейся по гладкому каналу, под действием расширяющегося парогазового потока возможно только при определенных условиях, аналогичных тем, которые имеют место в затопленных парогазовых струях (2,3,4), когда в вершине конуса аагопленной парогазовой струи за счет завихрений образуются пузырьки. движущиеся вдоль оси потока, при этом, чем больше диаметр парогазожидкостного канала, тем соответственно меньше количество пузырьков будет приходиться на единицу площади сечения канала, так как в затопленных струях пузырьки формируются только в вершине конуса затопленной струи. Как показали исследования на стеклянных моделях при использовании в качестве рабочей жидкости воды, а в качестве парогазовой смеси паровоздушной смеси, пузырьки в жидкости, движущейся по парогаэожидкостному каналу 2, начинают образовываться уже при диаметрах 4 мм.

Поэтому, чем больше будет затопленных струй, тем больше количество пузырьков будет образовываться на единицу площади сечения парогазожидкостного канала 2.

Выбор количества каналов во вставках 29 и

30 будет определяться единичной мощностью двигателя, тем большее количество пузырьков требуется для обеспечения эффективной регенерации тепла отработанного пара и образования требуемого количества пара в испарителе 1 при струйном впрыске в испаритель жидкости в виде брызг и струй при разрыве пузырьков на границе раздела фаз. Поэтому для увеличения единичной мощности двигателя необходимо увеличивать площадь сечения межтрубного пространства парожидкостного канала 2 и внутренней трубы 16 для размещения вставок 29 и 30 с соответствующим количеством продольных каналов, то есть необходимо обеспечить пропорциональное увеличение диаметра парогазожидкостного канала 2 и количества образующихся пузырьков, так как каждый канал вставки является источником образования пузырьков.

При обратном ходе под действием гидростатического столба жидкости жидкость во внутренней трубе 16, насыщенная неконденсирующимся газом в камере 22, будет двигаться к испарителю 1 со значительно большей скоростью, чем жидкость в межтрубном пространстве, т.к. площадь сечения межтрубного пространства больше сечения внутренней трубы 13. Поскольку жидкость, движущаяся по внутреннм трубе

2000013

10

25

16, является более холодной, чем жидкость в межтрубном пространстве, то при своем движении в сторону испарителя 1 она будет отбирать теплоту от жидкости, движущейся в межтрубном пространстве, обеспечивая процесс регенеративного подогрева рабочей жидкости во внутренней трубе 16, движущейся в сторону испарителя 1. Нагрев насыщенной неконденсирующимся газом жидкости сопровождается выделением иэ нее газа в виде пузырьков и испарения в них жидкости. эа счет чего пузырьки будут увеличиваться в размерах. При понижении давления в рабочем объеме, а следовательно, и в жидкости. движущейся в парогазожидкостном канале 2, пузырьки со смесью 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 теплоты, передаваемой от рабочего тела окружающей среде в холодильнике 3, Таким образом, в предложенном двигателе осуществляется двухступенчатая регенерация теплоты, что существенно повышает его термодинамическую эффективность по сравнению с прототипом, После того. как рабочая жидкость с парогаэовыми пузырьками, движущаяся по внутренней трубе 16, достигнет конического участка 20 с отверстиями 21, она поступает через отверстия 21 в межтрубное пространство, где обеспечивает конденсацию оставшегося в нем пара и охлаждение неконденсирующегося газа. дополнительно снижая давление в рабочем объеме и ускоряя движение жидкости по межтрубному пространству. Затем она смешивается с жидкостью, движущейся по межтрубному пространству в сторону испарителя 1. Часть поступившей в межтрубное пространство жидкости в виде брызг от лопнувших пузырьков направляется в испаритель 1. Парообразование жидкости на теплообменной поверхности испарителя 1 приведет к повышению давления парогазовой смеси в рабочем объеме. При повышении давления в рабочем объеме произойдет концентрация пузырьков у границы раздела фаз при приближении ее к испарителю 1 и их несимметричное схлопывание с образованием высокоскоростных струй из окружающей пузырьки жидкости. Механизм образования таких струй подробно рассмотрен в работе (53. Эти струи практически мгновенно попадают в испаритель 1 на развитую теплообменную поверхность и распределяются по ее поверхности. Возможно также, что при движении рабочей жидкости к испарителю

1 часть ее, насыщенная парогазовыми пузырьками в виде пены. частично войдет в испаритель 1, Однако в обоих случаях в испаритель попадет ограниченное. дозированное количество жидкости, которая полностью испаряется на теплообменной поверхности, а затем вместе с газом нагревается до более высоких температур, при которых пар становится перегретым, что обеспечивает более высокие температуры и давления парогазовой смеси, чем в двигателе без использования неконденсирующегося газа, Жидкий поршень при обратном ходе останавливается у входа в испаритель

1 из-эа резкого увельуения давления в рабочем объеме испарителя, который в предложенной конструкции имеет более высокое отношение площади к его объему по сравнению с цилиндрической конструкцией испарителя. Это обеспечивает существенное уменьшение необратимых потерь. связанных с нагреванием жидкости и последующим отводом от нее теплоты без совершения работы. Перед входом в испаритель 1 пузырьки сжимаются с повышением термодинамического потенциала их содержимого, которое выбрасывается из 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, которое полностью переходит в пар.

На этом завершаются процессы обратного хода, после чего термодинамический цикл повторяется в указанной последовательности.

Унос из 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 1 во время обратйЬго хода, что позволяет поддерживать в рабочем объеме постоянное количество неконденсирующегося газа. Это позволяет обеспечить высокую устойчивость и надежность работы двигателя.

Работа теплогенератора, в котором в качестве нагревающей среды используется высокотемпературный теплоноситель в виде сжигаемого органического топлива, осуществляется следующим образом. B горелку 9 камеры сгорания 7 подается по трубопроводам 10 и 11 соответственно жидкое и газообразное топливо и нагретый воздух. При сгорании топлива в камере сгорания 7 выделяется тепло э высокого по10

2000013 полнлющеи ее перфорированной на тенциала, которая конвекцией и излучением передается к внутренней трубе 4 испарителя 1, а затем отходящие горячие газы огибают испаритель 1 с наружной стороны и проходят по кольцевому каналу между наружной трубой 5 испарителя и теплоизоляционной оболочкой 12, отдавая теплоту испарителю через его наружную поверхность и обеспечивая тем самым более глубокое срабатывание температурного потенциала сжигаемого топлива, что повышает работоспособность используемой теплоты, а следовательно, повышает эксергетический КПД двигателя. Теплота от стенок испарителя и ребер, установленных в его полости, передается к рабочему телу двигателя. Перфорация ребер повышает устойчивость работы испарителя, а следовательно, и двигателя в целом за счет исключения образования автономных каналов. Отсутствие перфорации в ребрах привело бы к тому, что каждый начал бы работать как самостоятельный испаритель независимо от работы соседних каналов.

Поскольку количество жидкости, поступающей в каждый из каналов в виде брызг и струй, в этом случае будет неодинаковым, то и количество образующегося пара в каждом из них и продолжительность его генерации

Формула изобретения

1. Парожидкостный жидкопоршневой двигатель, содержащий последовательно соединенные испаритель с нагревателем, парожидкостный канал, выполненный в виде теплообменной поверхности холодильник, нагнетательно-всасывающий элемент. заполненный рабочей жидкостью, выполняющей роль поршня, и частично заполненную газовой смесью камеру, о т л и ч а ю щ ий с я тем, что, с целью повышения эффективности, он дополнительно снабжен гидротурбиной, размещенной в верхней части камеры и выполненной в виде размещенного на валу рабочего колеса с лопатками и сопловым аппаратом, установленным в центральной части рабочего колеса и содержащим по крайней мере два сопла, установленные с направлением их выходов на лопатки, при этом вал гидротурбины имеет герметичный выход за пределы камеры, которая расположена выше испарителя, в последний выполнен в виде корпуса с тяговой трубой, размещенных коаксиально внутри него двух труб с образованием между последними испарительной полости и за5

I также будут неодинаковыми, что привело бы к нарушению синхронизации в их работе, э следовательно, к нарушению устойчивости работы двигателя. °

Отходящие газы после теплообмена с испарителями 1 поступают в ольцевой канал, образованный наружной пове кностью теплоизоляционной оболочки 12 и теплообменной поверхностью регенеративного воздухоподогревателя 13, передавая теплоту воздуху, поступающему в камеру сгорания 7.

В случае исследования твердого топлива вместо горелки в основании камеры сгорания, 7 установлен под для размещения твердого топлива, в качестве которого могут использоваться уголь, дрова и другие виды твердого топлива. Загрузка топлива может осуществляться, например, с помощью пневматического транспортера или через герметичное окно в боковой стенке испарителя.

Таким образом, предложенный парожидкостный жидкопоршневой двигатель обладает повышенной энергетической эффективностью, повышенной устойчивостью и надежностью работы, более низкими весогабаритными характеристиками, а также возможностью использования газообразного, жидкого и твердого топлива. зигзагообразной ленты, соединенной в местах изгиба с поверхностями труб, и герметичной заглушки, закрывающей сверху испарительную полость, сообщенную снизу с парожидкостным каналом, при этом нагреватель испарителя выполнен в виде камеры сгорания с топливо- и воздухоподводами и размещен в нижней части полости внутренней трубы, причем испарительная полость и камера сгорания имеют теплоизоляционную оболочку в виде перевернутого стакана, установленного в корпусе испарителя с зазором относительно боковой поверхности наружной трубы, а воздухоподвод выполнен охватывающим корпус испарителя с образованием регенеративного воздухоподогревателя, парожидкостный канал выполнен в виде двух коаксиально расположенных труб и установленной в полости между последними вставки с продольными каналами одинакового сечения, причем верхняя часть внутренней трубы имеет размещенную на входе в испаритель полую конусную насадку с отверстиями в боковой поверхности у основания конуса, нагнетательно-всасывающий элемент выполнен в виде гнетательного и всасывающего трубопро11

2000013

12 водов, расположенных в вертикальной плоскости с образованием U-образных трактов, при этом указанные трубопроводы одним концом подсоединены соответственно к нижним концам наружной и внутренней труб парожидкостного канала, а другим — к сопловому. аппарату гидротурбины и нижней части камеры. холодильник размещен на наружной поверхности парожидкостного канала и нагнетательного трубопровода.

2. Двигатель поп.1, отл ичэ ю щийс я тем. что вставка парожидкостного канала выполнена с продольными каналами квадратного поперечного сечения.

3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что вставка парожидкостного канала выполнена с продольными каналами, имеющими поперечное сечение в виде равностороннего треугольника.