ТЕПЛОТРУБНЫЙ ОСЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ
HEAT-PIPE AXIAL ENGINE

Предлагаемое изобретение относится к энергомашиностроению и может быть использовано для утилизации вторичных тепловых энергоресурсов и низкопотенциальной тепловой энергии природных источников, а именно для трансформации тепловой энергии в механическую.
Известно устройство (тепловой двигатель) для утилизации тепла огнетехнического агрегата, содержащее последовательно соединенные между собой парогенератор (испарительную камеру), подключенный к огнетехническому агрегату (горячей среде), силовую турбину, помещенную в корпус (рабочую камеру), конденсатор (испарительную камеру), питательный насос, подогреватель и воздушный теплообменник [1].
Недостатками известного устройства (теплового двигателя) являются невозможность утилизации низкопотенциальных вторичных тепловых энергоресурсов, тепловых ресурсов природных источников, громоздкость конструкции, невозможность создания возвратно-поступательного движения, что сужает область его применения и снижает эффективность.
Более близким к предлагаемому изобретению является теплотрубный двигатель, содержащий помещенные в одном корпусе испарительную камеру, покрытую изнутри фитилем, торцевая стенка которой изнутри покрыта полосами пористого материала, внутри которой располагается перфорированный сепарационный элемент (щит), конечный участок напорного трубопровода с форсункой, и находящуюся в контакте с горячей средой, отделенную от нее перегородкой адиабатно-изоэнтропную (рабочую) камеру, заполненную фитилем, в которой помещен корпус с размещенной в нем силовой турбиной, насаженной на вал, проходящий по оси поперечного сечения корпуса двигателя, цилиндрический резервуар с перфорированными стенками, питательный насос, ротор которого также насажен на вал, размещенный вместе с начальным участком напорного трубопровода снаружи корпуса двигателя, конденсационную камеру, также изнутри покрытую фитилем, являющимся продолжением фитиля испарительной камеры, и находящуюся в контакте с холодной средой [2].
Основными недостатками известного теплотрубного двигателя являются сложность конструкции, обусловленная размещением питательного насоса и начального участка напорного трубопровода снаружи корпуса, невозможность создания вращательного момента рабочему органу на продольной оси корпуса двигателя и низкая скорость конденсации пара рабочей жидкости в конденсационной камере, обусловленная образованием пленки конденсата на внутренней поверхности нижней торцевой стенки, создающей дополнительное термическое сопротивление, что снижает его надежность и эффективность.
Техническим результатом, на решение которого направлено предлагаемое изобретение, является повышение надежности и эффективности теплотрубного двигателя.
Технический результат достигается тем, что теплотрубный осевой двигатель (ТТОД) включает в себя помещенные в одном корпусе испарительную камеру, покрытую изнутри фитилем, верхняя торцевая стенка которой покрыта полосами пористого материала, внутри которой располагается перфорированный сепарационный щит, конечный участок напорного трубопровода с форсункой и находящуюся в контакте с горячей средой, отделенную от нее перегородкой рабочую камеру, заполненную фитилем, в которой помещен корпус с размещенной в нем силовой турбиной, рабочее колесо которой и ротор питательного насоса насажены на вал, цилиндрический резервуар, сообщающийся через перфорированные стенки с фитилем, конденсационную камеру, также изнутри покрытую фитилем, являющимся продолжением фитиля рабочей камеры, и находящуюся в контакте с холодной средой, причем внутри испарительной камеры помещен весь напорный трубопровод, внутри рабочей камеры по продольной оси корпуса двигателя сверху вниз на валу поочередно помещены питательный насос, соединенный с напорным трубопроводом, корпус которого находится в цилиндрическом резервуаре, днище которого примыкает к верхней стенке корпуса силовой турбины, а внутри конденсационной камеры по ее продольной оси и центру нижней торцевой стенки проходит вал, снабженный пропеллером и соединенный снаружи с рабочим органом.
В основе работы предлагаемого ТТОД лежит основной цикл паросиловой установки - цикл Ренкина, согласно которому положительная работа расширения пара в турбине значительно превышает отрицательную работу насоса по сжатию конденсата [3, с.117], и высокая эффективность передачи теплоты в тепловых трубах, обусловленная высокими значениями коэффициента теплопередачи в процессах испарения и конденсации [4, с.146], которые делятся на три участка: зона испарения (подвода теплоты), адиабатная зона (переноса теплоты) и зона конденсации (отвода теплоты), покрытых изнутри фитилем и частично заполненных рабочей жидкостью - переносчиком теплоты, в качестве которой используются вода, спирты, хладоны, жидкие металлы т.д. [5, с.106].
На фиг.1 представлен общий вид, на фиг.2, 3 - поперечные разрезы предлагаемого ТТОД.
Теплотрубный осевой двигатель состоит из корпуса 1, покрытого изнутри фитилем 2, с верхней 3 и нижней 4 торцевыми стенками, внутри которого по ходу движения пара расположены: испарительная камера 5, внутренняя поверхность торцевой стенки 3 которой покрыта полосами пористого материала 6, соединенными с фитилем 2, в которой расположены напорный трубопровод 7 с форсункой 8 и перфорированный сепарационный щит 9; отделенная от испарительной камеры 5 перегородкой 10 рабочая камера 11, внутри которой по центру сверху вниз на валу 12 помещены питательный насос 13, соединенный с напорным трубопроводом 7, корпус которого находится в цилиндрическом резервуаре 14, бортовые перфорированные стенки которого соприкасаются с фитилем 2, колесо силовой турбины 15, помещенной в корпус 16, соединенный с испарительной камерой 5 паровым соплом 17, прикрытым сепарационным щитом 9, а патрубком мятого пара 18 с конденсационной камерой 19, по продольной оси которой и центру нижней торцевой стенки проходит вал 12, снабженный пропеллером 20 и соединенный снаружи с рабочим органом (не показан).
Предлагаемый ТТОД работает следующим образом.
Предварительно, перед началом работы из камер 5, 11 и 19 ТТОД удаляют воздух и закачивают рабочую жидкость, которую выбирают в зависимости от температурного потенциала холодной и горячей сред (штуцера для удаления воздуха и подачи рабочей жидкости на фиг.1, 2, 3 не показаны) в количестве, достаточном для заполнения объема пор фитиля 2, напорного трубопровода 7 и цилиндрического резервуара рабочей жидкости 14, после чего корпус 1 ТТОД устанавливают вертикально таким образом, чтобы испарительная камера 5 контактировала с горячей средой, конденсационная камера 19 - с холодной. В результате нагрева торца 3 происходит испарение рабочей жидкости в канавках между полосами пористого материала 6, который предотвращает образование паровой пленки на внутренней поверхности торца и, таким образом, интенсифицирует процесс испарения [6, с.22], образуется пар, создается давление в испарительной камере 5, полученный пар, проходя через перфорированный сепарационный щит 9, освобождается от уносимых капель рабочей жидкости, которые отбрасываются на поверхность фитиля 2 и транспортируются им обратно в зону испарения, через паровое сопло 17 поступает на лопатки колеса силовой турбины 15, вращая его совместно с валом 12, который сообщает вращательное движение ротору питательного насоса 13, пропеллеру 20 и вращающий момент М на рабочем конце вала 12, в результате чего в корпусе турбины 16 происходит изоэнтропное теплопадение пара с одновременным снижение его температуры и давления [3, с.331], после чего отработавший пар через патрубок мятого пара 18 попадает в конденсационную камеру 19, где давление пара уменьшается еще в результате его дальнейшего расширения и он конденсируется за счет контакта наружной поверхности нижней торцевой стенки 4 с холодной средой. При этом за счет вращения пропеллера 20, закручивающего и направляющего поток пара на внутреннюю поверхность нижней торцевой стенки 4, во вращающемся потоке пара возникает центробежная сила, которая срывает образовавшийся конденсат с внутренней поверхности торцевой стенки 4, препятствуя образованию там жидкостной пленки, и отбрасывает его на фитиль 2, в результате чего происходит резкое увеличение скорости теплопередачи между паром и холодной средой и, соответственно, многократное увеличение скорости конденсации. Образовавшийся конденсат всасывается фитилем 2, откуда под воздействием капиллярных сил и разрежения, создаваемого насосом 13, адиабатно [5, с.106] транспортируется в цилиндрический резервуар рабочей жидкости 14, откуда насосом 13 через напорный трубопровод 7 и форсунку 9 под давлением, величина которого определяется рабочим давлением пара в испарительной камере 5, рабочая жидкость разбрызгивается по внутренней поверхности торцевой стенки 3, испаряется с поверхности канавок 6 и в соответствии с вышеописанным процессом цикл повторяется.
Таким образом, предлагаемый ТТОД обеспечивает надежное и эффективное получение механической энергии 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.) в форме вращательного движения.
ЛИТЕРАТУРА
1. А.с. №769038, Мкл. F01K 17/06, 1980.
2. Патент РФ №2287709, Мкл. F01K 25/00, 2006.
3. И.Н.Сушкин. Теплотехника. - М.: Металлургия, 1973, 480 с.
4. А.Н.Плановский, П.И.Николаев. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии. - М.: Химия, 1987, 496 с.
5. В.В. Харитонов и др. Вторичные теплоэнергоресурсы и охрана окружающей среды. Минск, Высш. школа, 1988, 170 с.
6. Тепловые трубы и теплообменники: от науки к практике. Сб. научн. тр. М., 1990, 157 с.