Охладитель свободнопоршневого двигателя Стирлинга с линейным генератором
STIRLING FREE-PISTON ENGINE COOLER WITH LINEAR GENERATOR

Изобретение относится к энергомашиностроению и может применяться в свободнопоршневых двигателях Стирлинга с линейным генератором, содержащих охладитель.
Известен охладитель двигателя Стирлинга, содержащий корпус, концентрично расположенный на наружной поверхности цилиндра двигателя, в корпусе выполнены сквозные каналы, равномерно расположенные параллельно оси цилиндра, рубашку охлаждения охватывающую корпус, в цилиндре расположены с возможностью свободного осевого перемещения поршень-вытеснитель и поршень-якорь, размещенный в зоне взаимодействия линейного генератора, при этом между поршнем-вытеснителем и поршнем-якорем в цилиндре образована полость охлаждения, сообщенная через сквозные каналы, регенератор и нагреватель с полостью нагрева [Уокер Г. Двигатели Стирлинга / Сокр. Пер. с англ. Б.В. Сутугина и Н.В. Сутугина. - М.: Машиностроение, 1985. Рис. 9.13. стр. 217]. Общими признаками заявленного изобретения с наиболее близким аналогом являются охладитель свободнопоршневого двигателя Стирлинга с линейным генератором, содержащий корпус, концентрично расположенный на наружной поверхности цилиндра двигателя с выполненными в корпусе каналами, сообщенными с регенеративным теплообменником, и рубашку охлаждения охватывающую корпус. Недостатком данного охладителя свободнопоршневого двигателя Стирлинга с линейным генератором является несовершенство расположения каналов относительно рубашки охлаждения и снижение коэффициента теплоотдачи от газа к стенке канала в момент перехода изменения направления возвратно-поступательного движения газа в этих каналах.
Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является устранение указанных выше недостатков прототипа.
Технический результат заключается в повышении эффективности работы двигателя Стирлинга путем повышения теплоотдачи от газа к стенке сквозных каналов и далее к охлаждающей жидкости охладителя в момент перетекании газа из полости охлаждения в полость нагрева и снижении теплоотдачи от предварительно нагретого газа в момент его перетекании из полости нагрева в полость охлаждения, что приводит к повышению к.п.д. термодинамического цикла двигателя Стирлинга.
Технический результат достигается за счет того, что охладитель свободнопоршневого двигателя Стирлинга с линейным генератором, содержащий корпус, концентрично расположенный на наружной поверхности цилиндра двигателя с выполненными в корпусе каналами, сообщенными с регенеративным теплообменником, и рубашку охлаждения охватывающую корпус, при этом дополнительно содержит постоянный магнит и электромагнит, выполненные в форме колец, и две распределительные кольцевые полости, выполненные в корпусе со стороны полости охлаждения двигателя при этом, каналы разделены на две группы, каждая группа каналов сообщена соответственно с одной из кольцевой полостью, каждая кольцевая полость соответственно через свое выходное окно сообщена с полостью охлаждения, постоянный магнит расположен с возможностью осевого перемещения в кольцевой проточке, выполненной с внутренней стороны корпусе в зоне выходных окон, северный и южный полюса постоянного магнита ориентированы соответственно на каждой торцевой поверхности кольца, электромагнит расположен концентрично относительно оси цилиндра и один из торцов электромагнита совмещен с торцевой поверхностью кольцевой проточки, при этом полюса электромагнита ориентированы на его торцах, а сам электромагнит подключен к линейному генератору.
Изобретение поясняется чертежом, где на фигуре 1 показан продольный разрез охладителя свободнопоршневого двигателя Стирлинга с линейным генератором в момент перетекании газа из полости охлаждения в полость нагрева, на фигуре 2 - фрагмент продольного разреза охладителя в момент перетекании предварительно нагретого газа из полости нагрева в полость охлаждения, на фигуре 3 - фрагмент размещения электромагнита в кольцевой проточке.
Заявленный охладитель свободнопоршневого двигателя Стирлинга с линейным генератором 1 содержит корпус 2, концентрично расположенный на наружной поверхности цилиндра 3 двигателя В корпусе 2 выполнены каналы. Корпус 2 охватывает рубашка охлаждения 4 с входным и выходным патрубками 5. Охладитель содержит постоянный магнит 6 и электромагнит 7, выполненные в форме колец. В корпусе 2 выполнены две распределительные кольцевые полости 8 и 9 со стороны полости охлаждения 10 двигателя. Каналы разделены на две группы 11 и 12. Каждая группа 11 и 12 каналов сообщена соответственно с одной из кольцевой полостью 8 и 9. Каждая кольцевая полость 8 и 9 соответственно через свое выходное окно 13 и 14 сообщены с полостью охлаждения 10. Постоянный магнит 6 расположен с возможностью осевого перемещения в кольцевой проточке 15, выполненной с внутренней стороны корпуса 2 в зоне выходных окон 13 и 14. Северный полюс N и южный полюс S ориентированы соответственно на каждом торце 16 и 17 постоянного магнита 6. Электромагнит 7 расположен концентрично относительно оси цилиндра 3 и один из торцов 18 электромагнита 7 совмещен с торцевой поверхностью 19 кольцевой проточки 15, при этом полюса электромагнита 7 ориентированы на его торцах, а сам электромагнит 7 подключен к линейному генератору 1. В цилиндре 3 расположены с возможностью свободного осевого перемещения поршень-вытеснитель 20 и поршень-якорь 21, размещенный в зоне взаимодействия линейного генератора 1. Каналы 11 и 12 сообщены с регенеративным теплообменником 22 двигателя. Между поршнем-вытеснителем 20 и поршнем-якорем 21 в цилиндре 3 образована полость охлаждения 10, сообщенная через сквозные каналы 11 и 12, регенеративный теплообменник 22 и нагреватель 23 с полостью нагрева 24.
Устройство работает следующим образом.
Во время работы двигателя Стирлинга поршень-вытеснитель 20 совершает свободное возвратно-поступательное движение в цилиндре 3. В момент движения поршня-вытеснителя 20 вверх через газ в полости охлаждения 10 перемещает поршень-якорь 21 также вверх. При этом линейный генератор 1 вырабатывает электрический ток, который, проходя через катушку электромагнита 7, генерирует магнитное поле, полюс N которого становится одноименным полюсу N постоянного магнита 6. Вследствие чего магнит 6, отталкиваясь от электромагнита 7, занимает крайне отдаленное положение в кольцевой проточке 15, перекрывает входное окно 14 и открывает входное окно 13, через которое газ поступает в кольцевую полость 8 и далее через сквозные каналы 11, расположенные по периферии корпуса 2 охладителя, регенеративный теплообменник 22 и нагреватель 23 поступает в полость нагрева 24. Теплота горячего газа через стенки каналов 11 отводится проточной жидкостью в рубашке охлаждения 4. Вследствие охлаждения газа его давление падает и в полости охлаждения 10 на верхней торцевой поверхности поршня-вытеснителя 20 результирующая сила газа уменьшается. Газ после нагрева в нагревателе 23 расширяется и воздействует на нижнюю торцевую поверхность поршня-вытеснителя 20 совершая полезную работу. В момент возвратного движения поршня-вытеснителя 20 поршень-якорь 21 также меняет свое направление движения и ток от линейного генератора 1, проходя через катушку электромагнита 7, генерирует магнитное поле, полюс S которого становится противоположным полюсу N постоянного магнита 6. Вследствие чего магнит 6, притягивается к электромагниту 7, занимает верхнее положение в кольцевой проточке 15, перекрывает входное окно 13 и открывает входное окно 14, через которое газ поступает из расположенных концентрично ближе к оси цилиндра 3 каналы 12. При этом газ из полости нагрева 24 через нагреватель 23, регенеративный теплообменник 22, каналы 12, кольцевую полость 9 и окно 14 поступает в полость охлаждения 10. Так как каналы 12 относительно каналов 11 расположены дальше от рубашки охлаждения 4, то теплоотдача от газа к проточной жидкости будет меньше, чем в каналах 11.
Таким образом, организация движения газа в каналах 11 и 12 в зависимости от направления движения поршня-вытеснения 20 создает условия максимального отвода теплоты газа в охладителе и при движении поршня-вытеснения 20 вверх и максимальная теплоизоляция газа в охладителе при движении поршня-вытеснителя 20 вниз, что приводит к повышению эффективности термодинамического цикла работы двигателя Стирлинга.