Охладитель двигателя Стирлинга

Полезная модель относится к области двигателей с внешним подводом теплоты, работающим по циклу Стерлинга, а именно к охладителям двигателя, и может быть использована при создании компактных теплообменных аппаратов различного назначения.
Охладитель двигателя Стерлинга, входящий в состав теплообменного контура двигателя, предназначен для охлаждения газообразного рабочего тела перед его поступлением в холодную полость сжатия.
Конструкция эффективного охладителя и технологии, используемые при его изготовлении, должны соответствовать ряду требований:
- обеспечивать необходимую площадь теплообменной поверхности;
- потери давления рабочего тела и охлаждающего теплоносителя, проходящих через охладитель, должны быть минимальны и не превышать расчетных значений;
- обеспечивать равномерное распределение потоков рабочего тела и охлаждающего теплоносителя по проходным сечениям охладителя для эффективного теплообмена;
- обладать высокой эксплуатационной надежностью и возможность проведения его демонтажа с последующей установкой без повреждения конструкции;
- иметь высокую технологичность конструкции и низкую материалоемкость изготовления.
При проектировании проточных теплообменных аппаратов, в которых происходит перенос теплоты между двумя текущими средами, существует поиск компромисса между площадью теплообменной поверхности, площадью проточной части и массогабаритными показателями.
Так в двигателях Стерлинга объем охладителя, занимаемый рабочим телом, должен быть минимально возможным, так как это обеспечивает высокую степень сжатия, влияющую на эффективность двигателя.
Конструкция и компоновка охладителя должны способствовать снижению трудоемкости механической обработки и упрощению процесса выполнения сборочных операций.
Следовательно, проектирование охладителя двигателя Стерлинга является актуальной задачей.
Из уровня техники известны различные технические решения, применяемые в конструкции охладителей двигателей Стерлинга, например, охладитель с водяным охлаждением по патенту на полезную модель (CN 202883154, МПК: F02G 1/055, опубликованному 17.04.2013), который состоит из пучка теплообменных капиллярных труб, расположенных в цилиндрическом корпусе. Для установки на двигателе корпус оснащен фиксирующим фланцем и установочной частью, которая содержит канавки для уплотнительных колец. На боковой поверхности корпуса выполнено два отверстия для подачи и отвода охлаждающей воды из межтрубного пространства охладителя.
Теплообменные трубы расположены в трубной решетке охладителя по треугольной схеме, при которой 3 соседние трубы расположены в вершинах равностороннего треугольника. Такое решение создает хорошие условия для протекания равномерного теплообмена в пучке труб.
К недостаткам предложенной конструкции можно отнести ограниченность применения такой конструкции охладителя. Например, для его интеграции в теплообменный контур свободнопоршневого двигателя Стерлинга потребуется отдельный элемент для соединения одной стороны охладителя с полостью расширения. В этом случае появится дополнительный внутренний объем, который снизит степень сжатия и рабочие характеристики двигателя.
Существует иная конструкция охладителя двигателя Стирлинга, представленная в патенте на изобретение (JPS 58178851, МПК: F02G 1/043, F02G 1/055, опубликованному 19.10.1983), согласно которому трубчатый охладитель кольцеобразной формы имеет два фланца, с помощью которых он соединяется с верхней и нижней корпусными частями двигателя. Рабочее тело движется в трубном пространстве охладителя, а охлаждающая жидкость проходит через межтрубное пространство. Внутренняя стенка охладителя является цилиндром вытеснителя, в результате чего снижается количество используемых деталей и сборочных операций.
К недостатку предложенного охладителя можно отнести особенности проведения ремонтных работ, вызванных, например, износом цилиндра вытеснителя, которые потребуют механической обработки внутренней поверхности охладителя, установки ремонтной гильзы или замены охладителя в сборе. Все ремонтные процедуры являются достаточно трудоемкими и дорогостоящими, поскольку в первом случае потребуется использование нового вытеснителя, имеющего увеличенный ремонтный размер. Это является основным недостатком этого охладителя.
Наиболее близким аналогом предлагаемой полезной модели, выбранным в качестве прототипа, является охладитель свободнопоршневого двигателя Стирлинга, рассмотренный в патенте на изобретение (CN 104595056, МПК: F02G 1/055, опубликованному 06.05.2015). Согласно патенту, охладитель кольцеобразной формы состоит из двух трубных решеток, в которых установлен пучок теплообменных труб, внутренней цилиндрической стенки, примыкающей к наружной поверхности цилиндра двигателя, и внешней цилиндрической стенки, содержащей отверстия для подачи и отвода охлаждающей жидкости. Теплообменные трубы имеют концентричное и многорядное расположение, причем для обеспечения равномерного теплообмена трубы установлены в шахматном порядке и с одинаковым угловым шагом. Трубные решетки также содержат крепежные отверстия для фланцевого соединения охладителя с корпусными элементами двигателя и канавки для установки уплотнительных колец. Полученная конструкция охладителя отличается высокой надежностью и простотой проведения монтажно-сборочных работ.
Однако представленный охладитель имеет несколько недостатков.
1) Технологически сложно обеспечить полноценный теплообмен между внутренней стенкой охладителя и наружной поверхностью цилиндра, достижимый при соединении без зазора. Поскольку для сборки этих деталей необходим монтажный зазор, то его наличие приводит к ухудшению теплообмена между поверхностями. Также внутренняя стенка охладителя между охлаждающей жидкостью и цилиндром двигателя представляет собой термическое сопротивление, препятствующее теплообмену.
В результате этого ухудшаются условия охлаждения цилиндра, расположенного со стороны внутренней поверхности охладителя, поскольку между охлаждающей жидкостью и цилиндром находится внутренняя стенка охладителя.
Охлаждение цилиндра двигателя является предпочтительным, поскольку в результате теплопроводности материала цилиндра происходит его нагрев от более горячих элементов двигателя, расположенных в верхней части цилиндра. Также при движении вытеснителя с уплотнительными элементами внутри цилиндра в результате трения выделяется дополнительная теплота, способная привести к возникновению локальных участков с высокой температурой, что может привести к разрушению материала уплотнений.
2) Рассмотренный охладитель имеет высокую материалоемкость конструкции, поскольку его трубные решетки дополнительно являются крепежными элементами двигателя и выполнены в виде массивных фланцев.
Задача, решаемая полезной моделью, направлена на оптимизацию конструкции охладителя и повышение надежности двигателя.
Технический результат состоит в
снижении материалоемкости конструкции охладителя, в котором использована компактная трубная решетка без крепежных фланцев и
в повышении эффективности охлаждения нижней части цилиндра двигателя, расположенной со стороны охладителя.
Технический результат достигается тем, что охладитель двигателя Стирлинга содержит две трубные решетки,
теплообменные трубы с многорядным шахматным расположением в трубных решетках,
внутреннюю цилиндрическую стенку,
внешнюю цилиндрическую стенку, оснащенную штуцерами для подачи и отвода охлаждающей жидкости,
причем внутренний объем теплообменных труб, в котором движется рабочее тело, образует трубное пространство охладителя, а объем, заключенный между трубными решетками и внутренней и внешней цилиндрическими стенками, представляет собой межтрубное пространство охладителя,
а отличие от прототипа состоит в том, что
каждая трубная решетка на внешней и внутренней цилиндрической поверхности имеет две канавки для установки уплотнительных колец, обеспечивающих герметичное разделение двух сред - рабочего тела и охлаждающей жидкости,
внутренняя цилиндрическая стенка вытеснителя имеет многочисленные отверстия, равномерно расположенные по всей боковой поверхности стенки, через которые охлаждающая жидкость омывает цилиндр двигателя,
и при этом внутренняя стенка установлена с радиальным зазором относительно цилиндра двигателя.
Также отличием от прототипа является наличие резьбовых втулок в штуцерах для подачи и отвода охлаждающей жидкости, предназначенных для установки датчиков температуры.
Также внутренний диаметр средней части внешней цилиндрической стенки охладителя превышает внутренние диаметры верхнего и нижнего участков стенки.
Технические решения направлены на оптимизацию конструкции охладителя, согласно которой кроме снижения материалоемкости конструкции охладителя обеспечивается упрощение сборочных операций, для чего внешняя цилиндрическая стенка охладителя выполнена со ступенчатым профилем. Такое решение упрощает сборку охладителя и снижает риск повреждения уплотнительных колец во время сборки.
Технические решения направлены также на повышение надежности двигателя, которая достигается за счет повышения ресурса уплотнительных элементов. При изготовлении уплотнений подвижных элементов свободнопоршневых двигателей Стирлинга используются стандартные графитовые композиции, способные работать в условиях сухого трения. При таких условиях работы уплотнений на участке трения выделяется достаточно большое количество теплоты. Это следует учитывать при использовании антифрикционных материалов для изготовления уплотнений, которые имеют ограниченный диапазон рабочих температур. Ресурс уплотнительных элементов может быть увеличен за счет повышения эффективности охлаждения нижней части цилиндра двигателя.
Предложенные в полезной модели технические решения также способствуют обеспечению постоянства выходных параметров двигателя, что особенно актуально для свободнопоршневых двигателей Стирлинга, в которых устойчивый автоколебательный процесс обеспечивается балансом газовых и динамических сил, действующих на вытеснитель и рабочий поршень, и прочих потерь. Например, механические потери определяются силами трения, которые зависят от температурного состояния уплотнений. Изменение механических потерь способно изменить баланс сил, что приведет к снижению характеристик двигателя.
Предложенная полезная модель иллюстрируется чертежами, на которых представлен изометрический вид охладителя с вырезом четверти (фиг. 1) и продольный разрез охладителя, установленного на цилиндре двигателя Стирлинга (фиг. 2).
Охладитель состоит из двух трубных решеток 1 и 2 со сквозными отверстиями, имеющими трехрядное и концентричное расположение в шахматном порядке и с одинаковым угловым шагом,
теплообменных труб 3, которые установлены в соответствующие отверстия трубных решеток 1 и 2,
внутренней стенки 4 цилиндрической формы, соединенной с трубными решетками 1 и 2 и имеющей многочисленные сквозные отверстия 5, равномерно расположенные по всей боковой поверхности стенки 4,
внешней стенки 6, имеющей цилиндрическую форму,
штуцеров 7 и 8, установленных в отверстия на боковой поверхности стенки 6 и предназначенных для подачи и отвода охлаждающей жидкости из охладителя, причем каждый штуцер снабжен резьбовыми втулками 9 и 10, используемыми для установки датчиков температуры,
также трубные решетки 1 и 2 на внутренней и внешней поверхностях содержат канавки для установки пары уплотнительных колец 11 и 12, которые обеспечивают герметизацию межтрубного пространства охладителя за счет уплотнения соединения трубных решеток 1 и 2 с внешней стенкой 6 и цилиндром двигателя 13 соответственно.
Охладитель располагается снаружи цилиндра 13 двигателя напротив области, занимаемой полостью сжатия. Во время работы двигателя в этой полости необходимо поддерживать низкую температуру рабочего тела, для чего используется принудительное охлаждение рабочего тела с помощью охладителя.
Работа охладителя и функционирование его отдельных составляющих происходят следующим образом.
Предложенный охладитель работает в составе двигателя Стирлинга, представляющего собой двигатель с внешним подводом теплоты с замкнутым термодинамическим циклом. Двигатель Стирлинга содержит полости сжатия и расширения и теплообменный контур, состоящий из нагревателя, регенератора и охладителя. Весь внутренний объем двигателя заполнен рабочим телом, представляющего собой газ с низкой молекулярной массой.
Для охлаждения рабочего тела в полости сжатия используется охладитель, выполненный в виде теплообменного аппарата кожухотрубного типа, в котором происходит одновременное движение охлаждаемого и охлаждающего теплоносителей. В качестве охлаждающей жидкости может использоваться дистиллированная вода или различные незамерзающие жидкости, что определяется климатическими условиями эксплуатации двигателя.
После совершения полезной работы в полости расширения рабочее тело движется через теплообменный контур в полость сжатия. На выходе из полости расширения температура рабочего тела остается высокой и ее снижение происходит в регенераторе, содержащем пористую насадку, выполняющую функцию теплового аккумулятора. После прохождения регенератора рабочее тело поступает в охладитель, в котором происходит его дополнительное охлаждение. Затем рабочее тело, охлажденное до необходимого уровня, поступает в полость сжатия.
После сжатия рабочего тела происходит его обратное движение через охладитель, регенератор, в котором происходит нагрев рабочего тела с использованием накопленной тепловой энергии во время его предыдущего движения, и через нагреватель, где рабочее тело нагревается до необходимого значения. В результате нагрева рабочего тела происходит его расширение и совершается полезная работа.
Движение рабочего тела во внутреннем объеме двигателя носит циклический характер и характеризуется рабочей частотой двигателя.
Рабочее тело движется в трубном пространстве охладителя, образованном внутренним объемом труб 3. Охлаждающая жидкость принудительно циркулирует через межтрубное пространство охладителя, образованное стенкой 6, трубными решетками 1 и 2 и внешней поверхностью цилиндра двигателя 13.
Охлаждающая жидкость, поступающая в охладитель через штуцер 7 из внешнего охлаждающего контура двигателя, движется перпендикулярно теплообменным трубам 3, заполненным рабочим телом, что с учетом установленного порядка расположения труб 3 в трубных решетках 1 и 2 обеспечивает высокий коэффициент теплопередачи охладителя. После прохождения межтрубного пространства охладителя нагретая охлаждающая жидкость через штуцер 8 отводится в радиатор внешнего контура.
Во время циркуляции охлаждающей жидкости в межтрубном пространстве охладителя часть потока охлаждающей жидкости проходит через многочисленные отверстия 5, расположенные на внутренней стенке 4, установленной с радиальным зазором относительно цилиндра 13 двигателя. Количество отверстий 5 обеспечивает достаточное проходное сечение для движения охлаждающей жидкости, при этом цилиндр 13 снаружи омывается охлаждающей жидкостью, в результате чего происходит его охлаждение.
В резьбовые втулки 9 и 10 устанавливаются датчики температуры, используемые для измерения температуры охлаждающей жидкости, поступающей в охладитель и выходящей из него. Полученные значения температур применяются для контроля температурного состояния охладителя, управления расходом и входной температурой охлаждающей жидкости.
Во время работы охладителя уплотнительные кольца 11 и 12 находятся в неподвижном состоянии, при этом температура верхних колец соответствует средней температуре рабочего тела на выходе из регенератора, а нижних колец - средней температуре рабочего тела в полости сжатия двигателя. В результате этого для изготовления уплотнительных колец могут использоваться стандартные упругие материалы, например, резина, фторкаучук и др.