ТЕПЛОТРУБНЫЙ ВИНТОВОЙ НАГНЕТАТЕЛЬ
HEAT-PIPE INJECTION SCREW

Предлагаемое изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано для утилизации вторичных тепловых энергоресурсов и низкопотенциальной тепловой энергии природных источников, а именно  трансформации тепловой энергии в механическую для перемещения и нагнетания жидкостей (газов).
Известно устройство - винтовой насос, содержащий статор (корпус), с впускным (всасывающим) и выпускным (нагнетательным) каналами (патрубками), размещенный в статоре ротор с винтовой канавкой [А.с. СССР №470658, мкл. F04D 3/02, 1975].
Основными недостатками известного устройства являются невозможность утилизации низкопотенциальных вторичных тепловых энергоресурсов, тепловых ресурсов природных источников, что сужает область применения и снижает его эффективность.
Более близким к предлагаемому изобретению является винтовой насос, являющийся составной частью коаксиального теплотрубного двигателя, содержащего последовательно расположенные испарительную камеру, находящуюся в контакте с горячей средой, рабочую камеру, конденсационную камеру, находящуюся в контакте с холодной средой, соединенные между собой кольцевым уплотнением, при этом испарительная и конденсационная камеры выполнены в форме цилиндрических колпаков, внутренние боковые стенки которых покрыты фитилем, соединенным с решеткой, выполненной из тонкого слоя пористого материала, покрывающей внутреннюю поверхность торцевых стенок, рабочая камера выполнена в форме цилиндрической трубы, внутри ее устроены коаксиально, друг за другом силовые турбины, жестко закрепленные периферийными кромками лопастей к ее внутренней поверхности, конденсационная камера состоит из обоймы (корпуса), закрывающей винтовую поверхность рабочей камеры, образуя винтовой питательный насос и конденсационные зоны [Патент РФ №2320878, мкл. F01K 17/00, 2008].
Основными недостатками известного устройства являются использование для теплообмена только поверхности торцевых стенок, что снижает его производительность и невозможность его использования непосредственно для перекачки и нагнетания жидкостей и газов, что сужает область его применения и, в конечном счете, снижает его эффективность.
Техническим результатом, на решение которого направлено предлагаемое изобретение, является повышение эффективности теплотрубного винтового нагнетателя.
Технический результат достигается в теплотрубном винтовом нагнетателе, который содержит последовательно расположенные в одном цилиндрическом корпусе испарительную, рабочую и конденсационную камеры, в котором верхние и нижние торцевые стенки снабжены верхними и нижними впускными отверстиями, внутренние поверхности торцевых стенок соприкасаются с фитилем, проходящим по центральной оси корпуса и покрытым обечайкой с образованием зазоров у верхней и нижней торцевых стенок, причем в испарительной и конденсационной камерах верхние и нижние кромки цилиндрических стенок соединены с внутренней поверхностью верхней и нижней торцевой стенок корпуса с образованием горячей и холодной кольцевых рубашек между цилиндрическими стенками испарительной и конденсационной камер и стенкой цилиндрического корпуса, которые снабжены верхними и нижними выпускными окнами, соответственно, внутренняя поверхность цилиндрических и торцевых стенок в испарительной и конденсационной камерах покрыты решеткой, выполненной из тонких полос пористого материала, примыкающей в центре верхней и нижней торцевых стенок к верхней и нижней кромкам фитиля, цилиндрическая рабочая камера соединена через верхнее и нижнее кольцевые уплотнения с нижней кромкой цилиндрической стенки испарительной камеры и верхней кромкой конденсационной камеры, соответственно, внутри рабочей камеры устроены коаксиально друг за другом силовые турбины, жестко закрепленные периферийными и внутренними кромками лопастей к ее стенке и обечайке фитиля по нормали к ним, а ее наружная поверхность снабжена винтовой канавкой, к наружной поверхности верхнего и нижнего кольцевых уплотнений рабочей камеры прикреплены верхние и нижние направляющие пластины, расположенные в полостях горячей и холодной кольцевых рубашек, при этом часть корпуса, покрывающая винтовую канавку рабочей камеры образует винтовой нагнетатель, снабжена всасывающим и нагнетательным патрубками и отделена от горячей и холодной кольцевых рубашек верхней и нижней кольцевыми перегородками, соединенными своими наружными кромками с внутренней поверхностью неподвижного цилиндрического корпуса, а внутренними кромками через кольцевые уплотнения с рабочей камерой.
На фиг.1 представлен общий вид предлагаемого теплотрубного винтового нагнетателя (ТТВН), на фиг.2-5 - разрезы и узлы.
ТТВН содержит цилиндрический корпус 1, в котором верхние и нижние торцевые стенки 2 снабжены верхними и нижними впускными отверстиями 3, расположенными по окружности на их периферии, а их внутренние поверхности соприкасаются с фитилем 4, проходящим по центральной оси корпуса 1 и покрытым обечайкой 5 с образованием зазоров 6, 7 у верхней и нижней торцевых стенок 2. По ходу движения пара внутри корпуса 1 расположены: испарительная камера 8, верхние кромки цилиндрической стенки 9 которой соединены с внутренней поверхностью верхней торцевой стенки 2 с образованием горячей кольцевой рубашки 10 между наружной поверхностью цилиндрической стенки 9 и внутренней поверхностью стенки цилиндрического корпуса 1, снабженной выпускными окнами 11, внутренняя поверхность цилиндрической стенки 9 и верхней торцевой стенки 2 в испарительной камере 8 покрыты решетками 12, выполненными из тонких полос пористого материала, примыкающей в центре верхней торцевой стенки 2 к фитилю 4 (расстояние между полосами решетки 12 и верхней кромкой фитиля 4 принимают равным диаметру его пор); цилиндрическая рабочая камера 13, соединенная с нижней кромкой цилиндрической стенки 9 испарительной камеры 8 через верхнее кольцевое уплотнение 14, внутри которой устроены коаксиально друг за другом силовые турбины 15, жестко закрепленные периферийными и внутренними кромками лопастей к внутренней поверхности стенки рабочей камеры 13 и наружной поверхности обечайки 5 фитиля 4 по нормали к ним, снабженная на наружной поверхности винтовой канавкой 16; конденсационная камера 17, соединенная с нижней кромкой цилиндрической рабочей камеры 13 через нижнее кольцевое уплотнение 14, нижние кромки цилиндрической стенки 18 которой соединены с внутренней поверхностью нижней торцевой стенки 2 корпуса 1 с образованием между ними и внутренней поверхностью стенки цилиндрического корпуса 1 холодной кольцевой рубашки 19 с выпускными окнами 20, причем внутренняя поверхность цилиндрической стенки 18 и нижней торцевой стенки 2 конденсационной камеры 17 покрыты решетками 12, выполненными из тонких полос пористого материала, примыкающей в центре нижней торцевой стенки 2 к фитилю 4 (расстояние между полосами решетки 12 и фитилем 4 принимают равным диаметру его пор); при этом к наружной поверхности верхнего и нижнего кольцевых уплотнений 14 рабочей камеры 13 прикреплены верхние и нижние направляющие пластины 21, расположенные в полостях горячей и холодной кольцевых рубашках 10 и 19. Часть корпуса 1, покрывающая винтовую канавку 16 рабочей камеры 13, образует винтовой нагнетатель 22 и снабжена всасывающим 23 и нагнетательным 24 патрубками и отделена от горячей и холодной кольцевых рубашек 10 и 19 верхним и нижним кольцевыми перегородками 25 и 26, соединенными своими наружными кромками с внутренней поверхностью неподвижного корпуса 1, а внутренними кромками через кольцевые уплотнения 27 и 28 с рабочей камерой 13, причем кольцевые уплотнения 27 и 28 прикреплены к наружной поверхности стенки у верхней и нижней кромок рабочей камеры 13, а всасывающий и нагнетательный патрубок 23, 24 устроены вблизи горячей и холодной кольцевых рубашек 10 и 19, соответственно.
Предлагаемый ТТВН работает следующим образом. Перед началом работы из камер 8, 13, 17 ТТВН удаляют воздух и заполняют фитиль 4, пористый материал решеток 12 рабочей жидкостью, которую выбирают в зависимости от температурного потенциала холодной и горячей сред  (штуцера для удаления воздуха и подачи рабочей жидкости на фиг.1-5 не показаны). При этом в результате малого расстояния (длиной.  равной диаметру капилляров фитиля 4) между верней и нижней кромками фитиля 4 и полосами пористого материала решетки 12, происходит образование капиллярных каналов между ними, по которым рабочая жидкость способна перемещаться за счет капиллярных сил. Далее ТТВН устанавливают таким образом, чтобы испарительная камера 8 контактировала с горячей средой, а конденсационная камера 17 с холодной, и жестко фиксируют корпус 1, в результате чего также жестко фиксируются испарительная и конденсационная камеры 8 и 17. При нагреве неподвижной испарительной камеры 8 (ее теплообменная поверхность увеличена по сравнению с известным устройством за счет использования в процессе теплообмена наряду с поверхностью верхней торцевой стенки 2 поверхности цилиндрической стенки 9 испарительной камеры 8) скорость теплообмена с горячей средой возрастает также за счет наличия в пространстве горячей кольцевой рубашке 10 направляющих пластин 21, которые, вращаясь вместе с корпусом рабочей камеры 13, засасывают горячую среду через верхние впускные отверстия 3, сообщают ей турбулентное движение у поверхности боковой и верхней торцевой стенок камеры 8 и выбрасывают ее через выпускные окна 11 наружу. В результате нагрева испарительной камеры 8 происходит интенсивное испарение рабочей жидкости с внутренней поверхности верхней торцевой стенки 2 и цилиндрической стенки 9, которая поступает из вращающегося фитиля 4 в пористый материал решетки 12 в результате образования между ними временных капиллярных каналов и воздействия на жидкость центробежной силы, возникающей из-за вращения фитиля 4, причем решетка 12 предотвращает образование паровой пленки на внутренней поверхности камеры 8 и, таким образом, интенсифицирует процесс испарения [Тепловые трубы и теплообменники: от науки к практике. Сборник научн. тр. - М., 1990, с.22]. Образовавшийся пар поступает в рабочую камеру 13 на лопатки  последовательно расположенных силовых турбин 15, вращает ее корпус и, соответственно, сообщает вращательное движение винтовой канавки 16. В результате вращения корпуса рабочей камеры 13 в винтовую канавку 16 из всасывающего патрубка 23 поступает перемещаемая жидкость (газ), которой сообщается требуемое давление и через нагнетательный патрубок 24 подается в напорный трубопровод (на фиг.1-5 не показан) и далее к потребителю. В рабочей камере 13 происходит изоэнтропное теплопадение пара с одновременным снижением его температуры и давления [И.Н.Сушкин. Теплотехника. - М.: Металлургия, 1973, с.331], после чего отработавший мятый пар поступает в неподвижную конденсационную камеру 17. При охлаждении конденсационной камеры 17 (теплообменная поверхность которой увеличена по сравнению с известным устройством за счет использования в процессе теплообмена наряду с поверхностью нижнего торца 3 части поверхности цилиндрической стенки ее корпуса 18) скорость теплообмена с холодной средой возрастает также за счет наличия в полости холодной кольцевой рубашки 19 направляющих пластин 21, которые, вращаясь вместе с корпусом рабочей камеры 13, засасывают холодную среду через нижние впускные отверстия 3, сообщают турбулентное движение холодной среде у поверхности цилиндрической и торцевой стенок камеры 17 и выбрасывают ее через выпускные окна 20 наружу. При охлаждении конденсационной камеры 17 происходит интенсивная конденсация рабочей жидкости на ее внутренней поверхности, которая поступает во вращающийся фитиль 4 из пористого материала капиллярных потоков жидкости в фитиле 4 в сторону испарительной камеры 8. В камере 8 рабочая жидкость поступает из фитиля 4 в пористый материал решетки 12, после чего происходит вышеописанный процесс испарения и далее цикл повторяется. При этом размещение всасывающего патрубка 23 вблизи горячей кольцевой рубашки 10 и кольцевого уплотнения 27 позволяет проводить процесс охлаждения уплотнения 27 перекачиваемой жидкостью (газом), которая на входе, как правило, имеет невысокую температуру, а охлаждение кольцевого уплотнения 28 осуществляется холодной средой при ее контакте с ним через кольцевую перегородку 26 перед удалением через выпускные окна 20.
Таким образом, предлагаемый ТТВН обеспечивает возможность транспортировки жидкостей (газов) и создания в них давления за счет утилизации вторичных тепловых энергоресурсов различного потенциала (энергии сбросных вод, отходящих газов и т.д.), тепловых ресурсов природных источников (энергии солнца, воды и т.д.), что обеспечивает его высокую эффективность.