Комбинированный регенеративный теплообменник двигателя Стирлинга
COMBINED REGENERATIVE HEAT EXCHANGER OF STIRLING ENGINE

Изобретение относится к энергомашиностроению и может применяться в двигателях Стирлинга, содержащих регенеративный теплообменник.
VH
х
VH
c
VH
т
6
3
6
3
6
3
Известен комбинированный регенеративный теплообменник микрокриогенной системы для охлаждения в температурном диапазоне до 70К, включающий теплоизоляционный корпус, находящуюся внутри корпуса насадку из плетеной металлической сетки, при этом насадок состоит из трех частей, каждая из которых выполнена из металла с максимальной объемной теплоемкостью в своем диапазоне температур: - «холодная» часть насадки регенеративного теплообменника изготовлена из материала с объемной теплоемкостью С>2,02⋅10 Дж/мК в диапазоне температур 70-90К, при этом длина «холодной» части составляет l=0,087⋅L, где L - общая длина регенератора; - «средняя» часть - из материала с объемной теплоемкостью С>3,0⋅10 Дж/мК в диапазоне температур от 90К до 210К, при этом длина «средней» части составляет l=0,522⋅L; - «теплая» часть - из материала с объемной теплоемкостью С>3,72⋅10 Дж/мК в диапазоне температур от 210К до 300К, при этом длина «теплая» части составляет l=0,391⋅L [Патент на полезную модель RU 176892]. Общими признаками заявленного изобретения с наиболее близким аналогом являются комбинированный регенеративный теплообменник двигателя Стирлинга, содержащий теплоизоляционный корпус с двумя патрубками, подключенными соответственно к нагревателю и холодильнику и находящиеся внутри корпуса по меньшей мере два насадка, последовательно расположенные между патрубками нагревателя и холодильник. Недостатком данного комбинированного регенеративного теплообменника двигателя Стирлинга является несовершенство термодинамического цикла и высокие потери теплоты из-за недорекуперации регенеративного теплообменника вследствие недостаточной объемной теплоемкости насадков.
Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является устранение указанных выше недостатков прототипа.
Технический результат заключается в повышении эффективности работы двигателя Стирлинга путем повышения теплоемкости насадков и, как следствие, к повышению рекуперативной способности регенеративного теплообменника.
Технический результат достигается за счет того, что в комбинированном регенеративном теплообменнике двигателя Стирлинга, содержащем теплоизоляционный корпус с двумя патрубками, подключенными соответственно к нагревателю и холодильнику, и находящиеся внутри корпуса по меньшей мере два насадка, последовательно расположенные между патрубками, каждый насадок выполнен в виде трубки с герметично закрытыми концами, при этом внутри каждой трубки содержится наполнитель, причем температура плавления наполнителя каждого насадка соответственно возрастает в направлении от патрубка холодильника к патрубку нагревателя, а поперечный профиль стенки каждой трубки выполнен в форме овала, каждая трубка изогнута в виде спирали, при этом большая ось овала ориентирована в направлении оси спирали.
Изобретение поясняется чертежом, где на фигуре 1 показан продольный разрез комбинированного регенеративного теплообменника двигателя Стирлинга, на фигуре 2 - фрагмент поперечного разреза трубки спирали с наполнителем.
Заявленный комбинированный регенеративный теплообменник двигателя Стирлинг содержит теплоизоляционный корпус 1 с двумя патрубками 2 и 3. Патрубок 2 подключен к нагревателю, а патрубок 3 подключен к холодильнику (на фиг. 1 не показано). Внутри корпуса 1 размещены два насадка 4 и 5, последовательно расположенные между патрубками 3 и 2. Каждый насадок 4 и 5 может быть выполнены в виде трубки 6 из материала никель диаметром 1 мм и толщиной стенки 0.1 мм с герметично закрытыми концами. Внутренняя полость трубки 6 насадка 4 содержит наполнитель 7, выполненный из олова (Sn) с температурой плавления 231,9°С. Насадок 5 содержит наполнитель 7, выполненный из цинка (Zn) с температурой плавления 419,5°С, что выше температуры плавления наполнителя, выполненного из олова. Поперечный профиль стенки каждой трубки 6 выполнен в форме овала, каждая трубка (6) изогнута в виде спирали, при этом большая ось f-f овала ориентирована в направлении оси g-g спирали.
Устройство работает следующим образом.
Во время работы двигателя Стирлинга температура нагревателя равна 500°С, а холодильника - 200°С. Рабочее тело с температурой 500°С через патрубок 2 проходит в насадке 5 между трубок 6, заполненными цинком (Zn). При этом цинк вначале нагревается от температуры 326°С, равной средней температуры между температурами плавления цинка (419,5°С) и олова (Sn) (231,7С), до температуры плавления цинка, затем происходит плавление цинка, далее расплавленный цинк нагревается до температуры 500°С. На выходе из насадка 5 температура рабочего тела снижается до 326°С. Далее рабочее тело с температурой 326°С проходит в насадке 4 между трубок 6, заполненными оловом (Sn). При этом олово вначале нагревается от температуры 200°С, до температуры плавления олова, затем происходит плавление олова, далее расплавленное олово нагревается до температуры 326°С.
Оценить эффективность предложенного технического решения по сравнению с прототипом можно следующим образом, рассмотрев характеристики материалов насадок 4 и 5 регенератора. Приведенная теплоемкость насадка 5 в диапазоне температур 500°С - 326°С находится по формуле:
- удельная теплоемкость никеля,
3
где d=0,1 см - диаметр трубки, δ=0,005 см,  - длина трубки, p=9,8 г/см - удельная плотность никеля,  - удельная теплота плавления цинка,
- удельная теплоемкость жидкой фазы цинка,  Дж/г к - удельная теплоемкость твердой фазы цинка,
- удельная плотность цинка,
Σ1
Ni
Zn
Ni
Zn
Sn
m=m+m, где m, m и m - масса соответственно никеля, цинка и олова на участке трубки длинной
Приведенная теплоемкость насадка (4) в диапазоне температур 326°С - 200°С находится по формуле:
- удельная теплота плавления олова,
- удельная теплоемкость жидкой фазы олова,
- удельная теплоемкость твердой фазы олова,
Sn
3
где p=7,1 г/см - удельная плотность олова,
Σ2
Ni
Sn
m=m+m.
В связи с тем, что в момент фазового перехода из твердой фазы в жидкую фазу происходит объемное расширение цинка  а олова - 0,034, то в целях уменьшения напряжения на стенке трубки (6) она выполнен в форме овала, изогнута в виде спирали, при этом большая ось f-f овала ориентирована в направлении оси g-g спирали.
1
2
Таким образом, применение в качестве насадка 5 трубок 6, заполненными цинком (Zn) вместо проволоки диаметром 1 мм, позволяет снизить потери регенератора из-за недорекуперации в  раз, а насадка 4, заполненного оловом (Sn), соответственно в  раз, где θ и θ - коэффициенты эффективности соответственно насадок 5 и 4, что привело к повышению эффективности работы двигателя Стирлинга.