КОАКСИАЛЬНЫЙ СТУПЕНЧАТЫЙ МУЛЬТИТЕПЛОТРУБНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
COAXIAL STEPPED MULTIPLE-HEAT-PIPE ENGINE

Предлагаемое изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано для утилизации вторичных тепловых энергоресурсов и тепловой энергии природных источников, а именно для трансформации тепловой энергии в механическую.
Известен коаксиальный теплотрубный двигатель, который содержит последовательно расположенные испарительную камеру, снабженную каплеотбойником, покрытой фитилем и решеткой из фитиля, рабочую камеру, выполненную в форме цилиндрической трубы с винтом на наружной поверхности, внутри которой закреплены силовые турбины, конденсационную камеру, соединенную с рабочей камерой через кольцевое уплотнение, состоящую из обоймы, закрывающей винтовую поверхность рабочей камеры, образуя питательный насос, и конденсационной зоны, покрытой фитилем и решеткой из фитиля, причем конденсационная камера соединена с испарительной через питательный насос напорным трубопроводом с форсункой [патент РФ №2320878, МПК F01K 17/00, 2008].
Основными недостатками известного коаксиального теплотрубного двигателя является размещение ротора насоса на наружной поверхности корпуса, что затрудняет увязку его параметров (напора, производительности и т.д.) с мощностью устройства и незначительная площадь контакта с горячей и холодной средами, обусловленная этим малая мощность (меньше 1 кВт), что ограничивает область его применения при утилизации тепла вторичных и природных источников в промышленных масштабах и снижает его эффективность.
Более близким к предлагаемому изобретению является коаксиальный мультитеплотрубный двигатель, который содержит последовательно расположенные испарительную камеру, находящуюся в контакте с горячей средой, состоящую из вертикальных испарительных гильз, внутренняя боковая поверхность которых покрыта тонкими полосами пористого материала, образующими между собой канавки, а торца - решеткой из таких же полос и соединенных открытым торцом с крышкой сепарационной секции, с внутренней поверхностью, покрытой полосами того же пористого материала, в которой расположен распределительный коллектор, снабженный форсунками, размещенными в центре входа в испарительные гильзы, отделенная снизу каплеотбойником, выполненным в виде вогнутого перфорированного щита, с поверхностью боковых стенок покрытой фитилем и соединенной через кольцевое уплотнение с рабочей камерой, выполненной в форме цилиндрической трубы, соединенной снаружи с рабочим органом, внутри которой устроены коаксиально друг за другом силовые турбины, жестко закрепленные периферийными кромками лопастей к внутренней поверхности стенки рабочей камеры по нормали к ней, которая соединена через кольцевое уплотнение с конденсационной камерой, состоящей из цилиндрической распределительной секции, днище которой покрыто массивом фитиля с отверстиями и выполнено с отверстиями, к которым присоединены открытыми торцами вертикальные конденсационные гильзы с внутренней боковой поверхностью покрытой полосами, а торца - решеткой из пористого материала, образующих между собой канавки и соединенными с массивом фитиля, в центре которого устроен цилиндрический резервуар с перфорированными стенками и питательный насос, ротор которого насажен на вал, жестко соединенный с осью силовой турбины, а напорный трубопровод - с распределительным коллектором в испарительной камере [патент РФ №2379526, МПК F01K 25/00, F0128D 15/02, 2010].
Основным недостатком известного коаксиального мультитеплотрубного двигателя является неполное использование потенциальной тепловой энергии при наличии значительной разности температур горячей и холодной сред, что снижает его эффективность при утилизации высокопотенциального тепла вторичных и природных источников.
Техническим результатом, на решение которого направлено предлагаемое изобретение, является повышение эффективности коаксиального ступенчатого мультитеплотрубного двигателя.
Технический результат достигается в коаксиальном ступенчатом мультитеплотрубном двигателе, включающем размещенные коаксиально друг за другом и соединенные между собой ступени, каждая из которых содержит расположенные по ходу движения пара испарительную, рабочую и конденсационную камеры, при этом в первой ступени испарительная камера состоит из вертикальных испарительных гильз, внутренняя боковая поверхность и торцы которых покрыты решеткой из полос фитиля, образующих между собой ячейки и соединенных открытым торцом с крышкой сепарационной секции, внутренняя поверхность которой и боковые стенки также покрыты решеткой из полос фитиля, в которой расположен распределительный коллектор, снабженный форсунками, размещенными в центре входа в испарительные гильзы и установленный снизу каплеотбойник, выполненный в виде вогнутого перфорированного щита, поверхность днища которой покрыта слоем фитиля и соединена через кольцевое уплотнение с рабочей камерой, выполненной в форме цилиндрической трубы, соединенной снаружи с рабочим органом, внутри которой устроены коаксиально друг за другом силовые турбины, жестко закрепленные периферийными кромками лопастей к внутренней поверхности стенки рабочей камеры по нормали к ней и соединена через кольцевое уплотнение с конденсационной камерой, которая состоит из распределительной секции, днище которой покрыто массивом фитиля с отверстиями и выполнено с отверстиями, к которым присоединены открытыми торцами вертикальные конденсационные гильзы, с внутренней боковой поверхностью и торцами, покрытыми решеткой из полос фитиля, образующих между собой ячейки, соединенных с массивом фитиля, в центре которого устроен цилиндрический резервуар с перфорированными стенками, в котором помещен питательный насос, ротор которого насажен на вал, жестко соединенный с осью силовой турбины, напорный трубопровод соединен с распределительным коллектором, при этом испарительная камера каждой из последующих ступеней образована межтрубным пространством конденсационной камеры предыдущей ступени, покрытым кожухом, соединенным своей верхней кромкой с наружной кромкой днища распределительной секции конденсационной камеры предыдущей ступени, а нижней кромкой с днищем сепарационной секции испарительной камеры последующей ступени, в которой внутренняя поверхность кожуха, наружные поверхности днища распределительной секции, вертикальных конденсационных гильз и их торцов предыдущей ступени покрыты решеткой из полос фитиля, образующих между собой ячейки, причем сепарационные секции испарительных камер, рабочие и конденсационные камеры последующих ступеней устроены аналогично сепарационной секции испарительной камеры, рабочей и конденсационной камерам первой ступени.
На фиг.1 представлен общий вид, на фиг.2-7 - разрезы, на фиг.8-11 - узлы предлагаемого коаксиального ступенчатого мультитеплотрубного двигателя (КСМТТД) с двумя ступенями.
КСМТТД состоит из двух размещенных коаксиально друг за другом и соединенных между собой ступеней С1 и С2. Первая ступень С1 содержит расположенные по ходу движения пара испарительную, рабочую и конденсационную камеры 1, 2, 3 соответственно. Испарительная камера 1 состоит из вертикальных испарительных гильз 4, внутренняя боковая поверхность и торцы которых покрыты решеткой из полос фитиля (пористого материала) 5, образующих между собой ячейки 6 и соединенных открытым торцом с крышкой сепарационной секции 7, внутренняя поверхность которой и боковые стенки также покрыты решеткой из полос фитиля 5, в которой расположен распределительный коллектор 8, снабженный форсунками 9, размещенными в центре входа в испарительные гильзы 4, и установленный снизу каплеотбойник 10, выполненный в виде вогнутого перфорированного щита, поверхность днища которой покрыта слоем фитиля 11 и соединена через кольцевое уплотнение 12 с рабочей камерой 2. Камера 2 выполнена в форме цилиндрической трубы, соединенной снаружи с рабочим органом (на фиг.1-8 не показан), внутри которой устроены коаксиально друг за другом силовые турбины 13, 14, жестко закрепленные периферийными кромками лопастей к внутренней поверхности стенки рабочей камеры 2 по нормали к ней и соединена с конденсационной камерой 3 через кольцевое уплотнение 15. Конденсационная камера 3 состоит из распределительной секции 16, днище которой покрыто массивом фитиля 17 с отверстиями и выполнено с отверстиями, к которым присоединены открытыми торцами вертикальные конденсационные гильзы 18, с внутренней боковой поверхностью и торцами покрытыми решеткой из полос фитиля 5, образующих между собой ячейки 6, соединенных с массивом фитиля 17. В центре фитиля 17 устроен цилиндрический резервуар с перфорированными стенками 19, в котором помещен питательный насос 20, ротор которого насажен на вал 21, жестко соединенный с осью силовой турбины 14, а напорный трубопровод 22 с распределительным коллектором 8 (на фиг.1-11 их соединение не показано). Вторая ступень С2 содержит также расположенные по ходу движения пара испарительную, рабочую и конденсационную камеры 1a, 2a, 3a соответственно. Испарительная камера 1а образована межтрубным пространством конденсационной камеры 1 ступени С1, покрытым кожухом 4а, соединенным своей верхней кромкой с наружной кромкой днища распределительной секции 16 конденсационной камеры 3 первой ступени С1, нижней кромкой с днищем сепарационной секции 7а испарительной камеры 1а, внутренняя поверхность кожуха 4а, наружные поверхности днища распределительной секции 16, вертикальных конденсационных гильз 18 и их торцов конденсационной камеры 3 первой ступени С1 покрыты решеткой из полос фитиля 5а, образующих между собой ячейки 6а, в сепарационной секции 7а расположены распределительный коллектор 8а, снабженный форсунками 9а, устроенными в центрах межтрубного пространства между конденсационными гильзами 18, установленный ниже каплеотбойник 10а, выполненный в виде вогнутого перфорированного щита, внутренняя поверхность боковых стенок сепарационной секции 7а покрыта решеткой из полос фитиля 3а, поверхность днища - слоем фитиля 11а и соединена через кольцевое уплотнение 12а с рабочей камерой 2а. Камера 2а выполнена в форме цилиндрической трубы, соединенной снаружи с рабочим органом (на фиг.1-11 не показан), внутри которой устроены коаксиально друг за другом силовые турбины 13а, 14а, жестко закрепленные периферийными кромками лопастей к внутренней поверхности стенки рабочей камеры 2а по нормали к ней и соединена с конденсационной камерой 3а через кольцевое уплотнение 15а. Конденсационная камера 3а состоит из распределительной секции 16а, днище которой покрыто массивом фитиля 17а с отверстиями и выполнено с отверстиями, к которым присоединены открытыми торцами вертикальные конденсационные гильзы 18а, с внутренней боковой поверхностью и торцами, покрытыми решеткой из полос фитиля 5а, образующих между собой ячейки 6а, соединенных с массивом фитиля 17а. В центре фитиля 17а устроен цилиндрический резервуар с перфорированными стенками 19а, в котором помещен питательный насос 20а, ротор которого насажен на вал 21а, жестко соединенный с осью силовой турбины 14а, а напорный трубопровод 22а с распределительным коллектором 8а.
В основе работы предлагаемого КСМТТД лежит основной цикл паросиловой установки - цикл Ренкина, согласно которому положительная работа расширения пара в турбине значительно превышает отрицательную работу насоса по сжатию конденсата [И.Н.Сушкин. Теплотехника. - М.: Металлургия, 1973, с.117], устройство и принцип действия винтового насоса [Т.М.Башта др. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы. - М: Машиностроение, 1982, с.347] и высокая эффективность передачи теплоты в тепловых трубах, частично заполненных рабочей жидкостью-переносчиком теплоты, в качестве которой используются вода, спирты, хладоны, жидкие металлы т.д. [В.В.Харитонов и др. Вторичные теплоэнергоресурсы и охрана окружающей среды. - Минск: Выш. школа, 1988, с.106].
Предлагаемый КСМТТД работает следующим образом. Предварительно на открытом участке наружной поверхности рабочих камер 2 и 2а, монтируют роторы (на фиг.(1-11) не показаны), жестко соединяя их с камерами 2 и 2а и неподвижные части рабочих органов (например, электрогенератора, насоса, компрессора и т.д.). Перед началом работы из камер 1 и 1a, 2 и 2а, 3 и 3а КСМТТД удаляют воздух и заполняют полосы решетки фитиля 5, слой фитиля 11, массив фитиля 17, цилиндрический резервуар 19, полость питательного насоса 20, напорный трубопровод 22 и коллектор 8 первой ступени С1 рабочей жидкостью Ж1, предназначенной для первой ступени, после чего заполняют полосы решетки фитиля 5а, слой фитиля 11а, массив фитиля 17а, цилиндрический резервуар 19а, полость питательного насоса 20а, напорный трубопровод 22а и коллектор 8а второй ступени С2 рабочей жидкостью Ж2, предназначенной для второй ступени (штуцера для удаления воздуха и подачи рабочей жидкости на фиг.(1-11) не показаны). При этом рабочие жидкости Ж1 и Ж2 выбирают в зависимости от температурного потенциала холодной и горячей сред и подбирают так, чтобы величина теплоты конденсации Ж1 была близка значению теплоты испарения Ж2, а температура конденсации Ж1 при рабочем давлении первой ступени КСМТТД была выше температуры кипения Ж2 при рабочем давлении второй ступени КСМТТД.
КСМТТД устанавливают таким образом, чтобы испарительная камера 1 первой ступени С1 контактировала с горячей средой, а конденсационная камера 3a второй ступени С2 с холодной и жестко фиксируют их. В результате нагрева испарительных гильз 4 испарительной камеры 1 первой ступени С1 происходит испарение рабочей жидкости Ж1 с внутренней поверхности испарительных гильз 4, причем решетка из полос фитиля 5 предотвращает образование паровой пленки на внутренней поверхности стенки и, таким образом, интенсифицирует процесс испарения [Тепловые трубы и теплообменники: от науки к практике. Сборник научн. тр. - М.: 1990, с.22], образуется пар с давлением, равным давлению, развиваемому питательным насосом 20, который, проходя через каплеотбойник (перфорированный сепарационный щит) 10, освобождается от уносимых капель рабочей жидкости Ж1, которые отбрасываются на фитиль 11 и полосы решетки фитиля 5, поглощающие эти капли и снова транспортирующие их в зону испарения. Очищенный пар поступает в рабочую камеру 2 на лопатки последовательно расположенных силовых турбин 13, 14, вращая их совместно с корпусом рабочей камеры 2 и, соответственно, сообщает вращательное движение ротору питательного насоса 20 и вращающий момент Ml ротору рабочего органа, в результате чего питательный насос 20 перемещает рабочую жидкость Ж1 и создает требуемое давление в ней, а рабочий орган первой ступени С1 производит полезную работу. В полости вращающейся рабочей камеры 2 происходит изоэнтропное теплопадение пара с одновременным снижением его температуры и давления, после чего отработавший мятый пар поступает в неподвижную конденсационную камеру 3, давление в которой значительно меньше, чем в испарительной камере 1. Пар конденсируется в конденсационных гильзах 18 за счет контакта их наружной поверхности с рабочей жидкостью Ж2, находящейся в решетке фитиля 5 а, после чего образовавшийся конденсат рабочей жидкости Ж1 всасывается полосами решетки фитиля 5, фитилем 17 и под воздействием капиллярных сил и разрежения поступает во всасывающее отверстие насоса 20. Далее, рабочая жидкость Ж1 через напорный трубопровод 22, коллектор 8 и форсунки 9 под давлением, создаваемым насосом 20, величина которого определяет рабочее давление пара в испарительной камере 1, разбрызгивается по внутренней поверхности испарительных гильз 4, где происходит вышеописанный процесс испарения, после чего образовавшийся пар освобождается от капель рабочей жидкости Ж1 на каплеотбойнике 10 и цикл повторяется.
Одновременно, в результате конденсации паров рабочей жидкости Ж1 в конденсационных гильзах 18 конденсационной камеры 3 первой ступени С1, в испарительной камере 1а второй ступени С2 при передаче теплоты конденсации Ж1 через стенки конденсационных гильз 18 происходит испарение рабочей жидкости Ж2 с их наружной поверхности, образуется пар с давлением, равным давлению, развиваемому питательным насосом 20а, который, проходя через каплеотбойник (вогнутый перфорированный сепарационный щит) 10а, освобождается от уносимых капель рабочей жидкости Ж2, которые отбрасываются на фитиль 11а и полосы решетки фитиля 5a, поглощающие эти капли и снова транспортирующие их в зону испарения. Очищенный пар поступает в рабочую камеру 2а на лопатки, последовательно расположенных силовых турбин 13а, 14а, вращая их совместно с корпусом рабочей камеры 2а и, соответственно, сообщает вращательное движение ротору питательного насоса 20а и вращающий момент М2 ротору рабочего органа, в результате чего питательный насос 20а перемещает рабочую жидкость и создает требуемое давление в ней, а рабочий орган второй ступени С2 производит дополнительную полезную работу. В полости вращающейся рабочей камеры 2а происходит изоэнтропное теплопадение пара с одновременным снижением его температуры и давления, после чего отработавший мятый пар поступает в неподвижную конденсационную камеру 3а, давление в которой значительно меньше, чем в испарительной камере 1а. Пар конденсируется в конденсационных гильзах 18а за счет контакта их наружной поверхности с холодной средой, после чего образовавшийся конденсат рабочей жидкости Ж2 всасывается полосами решетки фитиля 5а, фитилем 17а и под воздействием капиллярных сил и разрежения поступает во всасывающее отверстие насоса 20а. Далее, рабочая жидкость Ж2 через напорный трубопровод 22а, коллектор 8а и форсунки 9а под давлением, создаваемым насосом 20а, величина которого определяет рабочее давление пара в испарительной камере 1а, разбрызгивается по наружной поверхности конденсационных гильз 18, где происходит вышеописанный процесс испарения, после чего образовавшийся пар освобождается от капель рабочей жидкости Ж2 на каплеотбойнике 10а и цикл повторяется.
Из описания работы устройства: мощность КСМТТД увеличивается путем установки второй ступени, которая работает за счет тепла конденсации пара рабочей жидкости Ж1 первой ступени. При этом число ступеней КСМТТД может быть больше двух и ограничено конструктивными и технологическими соображениями. Соответственно, максимальная мощность КСМТТД по сравнению с одноступенчатым двигателем может быть увеличена в несколько раз.
Таким образом, предлагаемый КСМТТД позволяет значительно увеличить количество механической и электрической энергии, получаемой за счет утилизации вторичных и природных тепловых энергоресурсов высокого потенциала, что обеспечивает его высокую эффективность.