Способ регулирования двигателя стирлинга и устройство для его осуществления

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано в системах регулирования двигателей различных модификаций, работающих по циклу Стирлинга. Способ регулирования двигателя Стирлинга включает обеспечение изменения среднего давления рабочего тела в цилиндре двигателя, при котором организуют внешнее аккумулирование рабочего тела в герметичной системе, его дополнительную подачу в цилиндр и возврат. Способ реализуется с помощью устройства, содержащего герметичную систему внешнего аккумулирования рабочего тела, связанную через магистральный трубопровод и клапан с цилиндром двигателя Стирлинга. Изобретение направлено на повышение надежности системы регулирования мощности двигателя Стирлинга, безопасности персонала и снижение шума в процессе ее эксплуатации, а также на уменьшение значений габаритно-массовых характеристик и упрощение конструкции. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано в системах регулирования двигателей различных модификаций, работающих по циклу Стирлинга.

Известен способ регулирования режима работы двигателей Стирлинга, при котором регулирование мощности и, как следствие, частоты вращения достигается за счет изменения среднего давления рабочего тела (водород или гелий). Для этого первоначально рабочее тело сжимают в баллоне высокого давления до значений, превосходящих значение давления рабочего тела в цилиндре, которое составляет от 10 до 20 МПа в зависимости от типа конструкции двигателя [Уокер Г. Двигатели Стирлинга. - М.: Машиностроение, 1985, с.135]. При необходимости увеличения мощности двигателя и, соответственно, частоты вращения в цилиндр двигателя подают дополнительное количество рабочего тела из баллона высокого давления, а для уменьшения - часть рабочего тела удаляют из цилиндра в буферную полость с более низким давлением, из которой рабочее тело перекачивают компрессором в баллон высокого давления [Уокер Г. Двигатели Стирлинга. - М.: Машиностроение, 1985, с.190-195].

Известно устройство для реализации указанного выше способа, содержащее герметичную систему внешнего аккумулирования рабочего тела в виде баллона высокого давления, связанную с цилиндром двигателя Стирлинга через магистральный трубопровод и клапан с одной стороны и через буферную полость и водородный компрессор - с другой [Уокер Г. Двигатели Стирлинга. - М.: Машиностроение, 1985, с.190-195].

При этом следует отметить, что наиболее эффективным рабочим телом двигателя Стирлинга является водород [Уокер Г. Двигатели Стирлинга. - М.: Машиностроение, 1985, с.67].

Недостатками данных способа и устройства являются:

1. Необходимость закачивания под высоким давлением водорода в баллон высокого давления в процессе его аккумулирования и его хранение под давлением, а также неизбежно возникающие при этом утечки водорода через уплотнения, особенно в подвижных соединениях, с угрозой смешения с воздушной средой снижают безопасность персонала в процессе эксплуатации двигателя.

2. Компрессор с подвижными элементами неизбежно является дополнительным источником шума, что приводит к снижению скрытности работающего двигателя, например, при его эксплуатации на подводных лодках и других объектах.

3. Подвижные элементы компрессора требуют применений уплотнительных устройств, работающих под высоким давлением. При этом в случае использования в качестве рабочего тела водорода, обладающего высокой текучестью, неизбежны его утечки в окружающую среду, что приведет к уменьшению его запаса в баллоне высокого давления и, как следствие, надежности и безопасности системы регулирования мощности двигателя в процессе ее эксплуатации.

4. Наличие компрессора с трубопроводами в системе регулирования мощности двигателя приводит к увеличению значений габаритно-массовых характеристик и усложнению конструкции.

Изобретение направлено на повышение надежности системы регулирования мощности двигателя Стирлинга, безопасности персонала и снижение шума в процессе ее эксплуатации, а также на уменьшение значений габаритно-массовых характеристик и упрощение конструкции.

Это достигается тем, что в способе регулирования двигателя Стирлинга, включающем обеспечение изменения среднего давления рабочего тела в цилиндре двигателя, при котором организуют внешнее аккумулирование рабочего тела в герметичной системе, его дополнительную подачу в цилиндр и возврат, внешнее аккумулирование рабочего тела и его возврат из цилиндра в систему, а также дополнительную подачу рабочего тела из системы в цилиндр осуществляют соответственно сорбцией и десорбцией, для организации которых внутри герметичной системы помещают сорбент, способный при охлаждении поглощать, а при нагреве выделять рабочее тело, при этом сорбент перед засыпкой подвергают активации с образованием мелкодисперсного порошка с развитой поверхностью. При этом в качестве рабочего тела используют водород, а в качестве сорбента - интерметаллиды, например LaNi₅, FeTi или MgNi. При использовании в качестве рабочего тела гелия в качестве сорбента используют активированный уголь.

В устройстве для реализации способа, содержащем герметичную систему внешнего аккумулирования рабочего тела, связанную через магистральный трубопровод и клапан с цилиндром двигателя Стирлинга, система внешнего аккумулирования снабжена сорбером-десорбером рабочего тела, выполненным в виде теплоизолированной снаружи герметичной рабочей камеры, разделенной перфорированной перегородкой на буферную полость, связанную через магистральный трубопровод и клапан с цилиндром двигателя Стирлинга, и рабочую полость с нагревателем-холодильником, заполненную мелкодисперсным порошком активированного сорбента, при этом нагреватель-холодильник выполнен в виде термоэлектрического теплового насоса, установленного с возможностью переключения полярности и включающего внутренний радиатор на горячих спаях и наружный радиатор на холодных спаях, расположенных соответственно внутри рабочей полости и снаружи герметичной рабочей камеры, при этом мелкодисперсный порошок активированного сорбента расположен в пространстве между теплопередающими поверхностями внутреннего радиатора и поверхностями фильтра, образующими каналы, связанные с буферной полостью через перфорированную перегородку.

На чертеже представлено схематическое изображение устройства регулирования двигателя Стерлинга.

Устройство для реализации способа содержит герметичную систему внешнего аккумулирования рабочего тела 1, связанную через магистральный трубопровод и клапан 2 с цилиндром двигателя Стирлинга 3. При этом система внешнего аккумулирования 1 снабжена сорбером-десорбером рабочего тела, выполненным в виде теплоизолированной снаружи герметичной рабочей камеры 4, разделенной перфорированной перегородкой 5 на буферную полость 6, связанную через магистральный трубопровод и клапан 2 с цилиндром двигателя Стирлинга 3, и рабочую полость 7 с нагревателем-холодидьником 8, заполненную мелкодисперсным порошком активированного сорбента 9. Нагреватель-холодильник 8 выполнен в виде термоэлектрического теплового насоса (см., например, Каганов М.А., Привин M.P. Термоэлектрические тепловые насосы. «Энергия», Л., 1970, с.54-55), установленного с возможностью переключения полярности (цепь электропитания и устройство коммутации условно не показаны) и включающего внутренний радиатор 10 на горячих спаях и наружный радиатор 11 на холодных спаях, расположенных соответственно внутри рабочей полости 7 и снаружи герметичной рабочей камеры 4. Внутренний радиатор 10 и наружный радиатор 11 установлены соответственно на горячих и холодных спаях через электроизоляционные слои 12. При этом ветви полупроводниковых термопар 13 и связанные с ними медные столбики 14 соединены коммутационными пластинами 15. Между ветвями полупроводниковых термопар 13 с медными столбиками 14 размещена теплоизоляция 16. Мелкодисперсный порошок активированного сорбента 9 расположен в пространстве между теплопередающими поверхностями внутреннего радиатора 10 и поверхностями фильтра 17, образующими каналы, связанные с буферной полостью 6 через отверстия в перфорированной перегородке 5. В случае, если рабочее тело двигателя Стирлинга - водород, то в качестве мелкодисперсного порошка активированного сорбента могут быть использованы гидриды интерметаллических соединений, например гидриды интерметаллидов LaNi₅, FeTi или MgNi (Кремнев Р.С, Карягин В.П, Балыбердин В.В., Клевцов А.А. Аэростаты в атмосфере Венеры. Киев: Наукова Думка, 1985, с.84-86). При использовании в качестве рабочего тела двигателя Стирлинга гелия в качестве сорбента может быть применен активированный уголь (Кремнев Р.С., Карягин В.П., Балыбердин В.В., Клевцов А.А. Аэростаты в атмосфере Венеры. Киев: Наукова Думка, 1985, с.86-87).

Способ регулирования двигателя Стирлинга реализован следующим образом.

Регулирование двигателя Стирлинга обеспечивается за счет изменения среднего давления рабочего тела в цилиндре двигателя Стирлинга 3. При этом предварительно с помощью системы внешнего аккумулирования рабочего тела 1 организуют внешнее аккумулирование рабочего тела, например водорода, в герметичной системе сорбера-десорбера, которая после аккумулирования водорода способна обеспечивать его дополнительную подачу в цилиндр и возврат. Внешнее аккумулирование рабочего тела - водорода и его возврат из цилиндра в систему, а также дополнительную подачу рабочего тела из системы сорбера-десорбера в цилиндр двигателя Стирлинга 3 осуществляют соответственно сорбцией и десорбцией, для организации которых внутри герметичной системы сорбера-десорбера помещают мелкодисперсный порошок активированного сорбента 9 с развитой поверхностью. При охлаждении мелкодисперсного порошка активированного сорбента 9 происходит поглощение системой сорбера-десорбера рабочего тела - водорода - цилиндра из двигателя Стирлинга 3 и, как следствие, понижение в нем рабочего давления. При нагреве мелкодисперсного порошка активированного сорбента 9 система сорбера-десорбера выделяет рабочее тело - водород - в цилиндр двигателя Стирлинга 3 и, как следствие, происходит повышение в нем рабочего давления. При использовании в качестве рабочего тела водорода в качестве сорбента применяют интерметаллиды, например LaM₅, FeTi или MgNi, образующие при соединении с водородом (процесс сорбции) соответствующие гидриды.

Для водородных аккумуляторов обратимого действия (системы типа сорбер-десорбер) требуются гидриды с особыми сорбционно-десорбционными характеристиками, для которых реакция с водородом обратима и протекает достаточно быстро при технологически допустимых давлениях и температурах. Наиболее приемлемым для аккумулирования водорода является интерметаллид LaNi₅, поскольку он сочетает в себе достаточно высокую сорбционную способность и давления перехода (примерно 2 МПа при Т=298K). Количество водорода, поглощаемого LaNi₅, соответствует составу гидрида LaNi₅H_6.7. Для быстрого поглощения максимального количества водорода интерметаллид должен применяться в виде активированного порошка с хорошо развитой поверхностью. Процесс активации достаточно длителен и требует выдержки образца в водороде при давлении в несколько мегапаскалей с последующей дегазацией динамическим вакуумом. При такой обработке материал разрушается, превращаясь в порошок с размером частиц (5÷7)*10^-6 м. Чем чище поверхность материала, тем больше скорость сорбции водорода: при сорбции интерметаллид разогревается и его необходимо охлаждать, при десорбции, наоборот, следует подогревать (Кремнев Р.С., Карягин В.П., Балыбердин В.В., Клевцов А.А. Аэростаты в атмосфере Венеры. Киев: Наукова Думка, 1985, с.84-86).

При использовании в качестве рабочего тела гелия в качестве сорбента могут быть применены различные сорта активированного угля, например: СКТ, БАУ, УУТ-2, отличающиеся высоким отношением площади поверхности к массе (Кремнев Р.С., Карягин B.П, Балыбердин В.В., Клевцов АА. Аэростаты в атмосфере Венеры. Киев: Наукова Думка, 1985, с.86-87).

Работа устройства регулирования двигателя Стерлинга осуществляется следующим образом.

При необходимости повысить выходную мощность двигателя Стирлинга в его цилиндр 3 (или цилиндры в многоцилиндровой схеме) подается дополнительное количество рабочего тела - водорода из системы внешнего аккумулирования рабочего тела 1 через магистральный трубопровод и клапан 2. В результате давление рабочего тела - водорода - в цилиндре двигателя Стирлинга 3 повышается и, как следствие, повышается выходная мощность самого двигателя Стирлинга. Для этого через электрическую цепь нагревателя-холодильника 8, выполненного в виде термоэлектрического теплового насоса (см., например, Каганов М.А., Привин М.Р. Термоэлектрические тепловые насосы. «Энергия», Л., 1970, с.54-55) пропускается постоянный электрический ток. При этом на горячих спаях термоэлектрического теплового насоса, контактирующих с радиатором 10, выделяется тепло, которое передается через поверхность радиатора мелкодисперсному порошку активированного сорбента 9 (металлогидриду водорода). В результате происходит процесс десорбции водорода, который, выделяясь, поступает через фильтр 17, каналы, образованные между теплопередающими поверхностями внутреннего радиатора 10 и поверхностями фильтра 17, и перфорированную перегородку 5, попадает в буферную полость 6 и через магистральный трубопровод с клапаном 2 непосредственно в цилиндр двигателя Стирлинга 3. При этом радиатор на холодных спаях 11 охлаждается. Наружные поверхности герметичной рабочей камеры 4 покрыты теплоизоляционными слоями, предотвращающими тепловые потери.

При необходимости понизить выходную мощность двигателя Стирлинга из его цилиндра 3 (или цилиндров в многоцилиндровой схеме) через магистральный трубопровод и клапан 2 производится поглощение рабочего тела - водорода системой внешнего аккумулирования рабочего тела 1. В результате давление рабочего тела - водорода - в цилиндре двигателя Стирлинга 3 понижается и, как следствие, понижается выходная мощность самого двигателя Стирлинга. Для этого производится переключение полюсов источника электрического тока нагревателя-холодильника 8 термоэлектрического теплового насоса. При этом радиатор на горячих спаях 10 становится холодным, а радиатор на холодных спаях 11 - горячим. В результате мелкодисперсный порошок активированного сорбента 9 (металлогидрид водорода) охлаждается и происходит процесс сорбции водорода. При этом тепло с радиатора на холодных спаях 11 сбрасывается в окружающее пространство.

Процесс выделения и поглощения рабочего тела - водорода - повторяется необходимое количество раз. В результате достигается легко управляемая схема, позволяющая регулировать выходную мощность двигателя Стирлинга.

Предлагаемые способ и устройство позволяют не только повысить надежность системы регулирования мощности двигателя Стирлинга, безопасность персонала и снизить шум в процессе ее эксплуатации, уменьшить значения габаритно-массовых характеристик, упростить конструкцию, но и исключить выброс в окружающую среду рабочего тела и продуктов эксплуатации системы регулирования.

Кроме того, предлагаемые способ и устройство могут быть эффективно применены в системах управления по высоте аэростатов, в которых в качестве подъемного газа используется водород (Кремнев Р.С., Карягин В.П., Балыбердин В.В., Клевцов А.А. Аэростаты в атмосфере Венеры. Киев: Наукова Думка, 1985). В известных системах управление аэростатами по высоте осуществляется либо стравливанием подъемного газа в атмосферу, либо его нагнетанием из баллонетов. В результате потерь подъемного газа сокращается ресурс автономной работы аэростата или, в случае применения компрессора, закачивающего водород обратно в баллонеты, усложняется его конструкция и увеличивается потребляемая мощность.

1. Способ регулирования двигателя Стирлинга, включающий обеспечение изменения среднего давления рабочего тела в цилиндре двигателя, при котором организуют внешнее аккумулирование рабочего тела в герметичной системе, его дополнительную подачу в цилиндр и возврат, отличающийся тем, что внешнее аккумулирование рабочего тела и его возврат из цилиндра в систему, а также дополнительную подачу рабочего тела из системы в цилиндр осуществляют соответственно сорбцией и десорбцией, для организации которых внутри герметичной системы помещают сорбент, способный при охлаждении поглощать, а при нагреве выделять рабочее тело, при этом сорбент перед засыпкой подвергают активации с образованием мелкодисперсного порошка с развитой поверхностью.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве рабочего тела используют водород, а в качестве сорбента - интерметаллид.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что в качестве интерметаллида используют соединение LaNi₅.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что в качестве интерметаллида используют соединение FeTi.

5. Способ по п.2, отличающийся тем, что в качестве интерметаллида используют соединение MgNi.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве рабочего тела используют гелий, а в качестве сорбента - активированный уголь.

7. Устройство для реализации способа, содержащее герметичную систему внешнего аккумулирования рабочего тела, связанную через магистральный трубопровод и клапан с цилиндром двигателя Стирлинга, отличающееся тем, что система внешнего аккумулирования снабжена сорбером-десорбером рабочего тела, выполненным в виде теплоизолированной снаружи герметичной рабочей камеры, разделенной перфорированной перегородкой на буферную полость, связанную через магистральный трубопровод и клапан с цилиндром двигателя Стирлинга, и рабочую полость с нагревателем-холодильником, заполненную мелкодисперсным порошком активированного сорбента, при этом нагреватель-холодильник выполнен в виде термоэлектрического теплового насоса, установленного с возможностью переключения полярности и включающего внутренний радиатор на горячих спаях и наружный радиатор на холодных спаях, расположенных соответственно внутри рабочей полости и снаружи герметичной рабочей камеры, при этом мелкодисперсный порошок активированного сорбента расположен в пространстве между теплопередающими поверхностями внутреннего радиатора и поверхностями фильтра, образующих каналы связанные с буферной полостью через перфорированную перегородку.