НАГРЕВАТЕЛЬНАЯ ГОЛОВКА ДВИГАТЕЛЯ СТИРЛИНГА
STIRLING ENGINE HEATING HEAD

Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к головкам нагревательным двигателя Стирлинга. Данные двигатели нашли применение в народном хозяйстве в качестве мини-ТЭЦ, силовых установок морских судов, автомобилей; в космосе для электропитания бортовых систем космических аппаратов; в военной технике, а именно в подводных лодках для подзарядки аккумуляторных батарей и электропитания маршевого двигателя.
Известна головка нагревателя для составных модулей двигателя Стирлинга (патент US №4768342, МПК F02G 1/04, опубл. 21.04.1986).
Сущность изобретения заключается в том, что головка нагревателя представляет сосуд высокого давления с верхней стенкой и соединенной с ней боковой стенкой. Первая взаимодействует с одним концом поршня вытеснителя для образования пространства расширения, а последняя взаимодействует с цилиндром поршня вытеснительного для определения кольцевой области теплообмена в непосредственной близости от пространства расширения и в открытом сообщении с ним. Поршень вытеснителя установлен с возможностью возвратно-поступательного движения в цилиндре вытеснителя. В одном варианте осуществления изобретения рабочий газ двигателя, занимающий пространство расширения и область теплообмена, нагревается множеством тепловых труб, герметично введенных через стенку сосуда высокого давления в область теплообмена из внешнего коллектора, через который перекачивается нагретая текучая среда. В другом варианте осуществления, множество теплообменных трубок, проходящих через зону теплообмена, соединены между внешними впускным и выпускным коллекторами для транспортировки нагретой текучей среды через зону теплообмена.
Недостатком данного изобретения является сложность конструкции, ввиду того, что необходимо множество труб припаять к боковым и верхним стенкам нагревателя, в том числе и к стенкам коллектора. Данный метод требует множество технологических операций, причем паяные швы должны быть герметичны и долгое время выдерживать высокие температуры, давление и нагретую текучую среду (расплавленный натрий или легкоплавкий сплав, состоящий из натрия и калия).
Наиболее близким техническим решением является устройство для передачи тепла при высокой температуре (патент DE №4219583, МПК F02G 1/43, 1/055, опубл. 15.06.1992).
Устройство для передачи тепла при высокой температуре к газообразной рабочей среде в высокотемпературном силовом корпусе или нагревательной машины, работающей в замкнутом цикле процесса с периодически движущимся поршнем, рабочий газ в двух разделенных цилиндрических пространствах, который путем сочетания нагревателя, регенератора и охладителя соединен, перетекает вперед и назад в чередующихся направлениях потока. Силовой корпус состоит из внутреннего цилиндра и наружного цилиндра с продольными ребрами, которые расположены между внутренним и наружным цилиндрами представляют собой теплопроводящие, жесткие и устойчивые к высоким температурам соединения, а на внешней поверхности наружного цилиндра, радиально установленные ребра.
Недостатком данного изобретения является то, что наружный цилиндр, как правило, имеет значительную толщину стенки, поскольку испытывает высокую температуру и давление. Наружный цилиндр изготавливается из жаропрочного коррозионно-стойкого сплава, имеющего низкий коэффициент теплопроводности, поэтому уменьшается тепловой поток в сторону рабочего газа и его температура, вследствие чего уменьшается КПД двигателя Стирлинга. Помимо этого, паяные швы, как правило, на протяжении стенок цилиндра получаются пористыми и должны работать при высоких температурах долгое время. Пористость паяных швов плохо сказывается на теплопередаче от наружных ребер к стенке цилиндра и от стенки цилиндра к ребрам.
Задачей настоящего изобретения является создание нагревательной головки двигателя Стирлинга с увеличенной теплопроводностью от внешней нагревательной среды к рабочему газу.
Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, заключается в:
- увеличении температуры рабочего газа в нагревательной головке;
- увеличении КПД двигателя.
Для решения указанной задачи и достижения технического результата заявляется нагревательная головка двигателя Стирлинга, содержащая внутренний цилиндр и наружный силовой цилиндр, между которыми расположены внутренние продольные ребра, а на внешней поверхности наружного силового цилиндра наружные радиальные ребра. Во внутреннем цилиндре установлен поршень. В наружном силовом цилиндре выполнены отверстия для получения тепловых мостов методом заливки литейного медного или алюминиевого сплавов, к нагревательной головке дополнительно закрепляют сверху крышку и снизу фланец, при этом тепловые мосты образуют одну цельную деталь с внутренними продольными и наружными радиальными ребрами, а также с закрепленной сверху крышкой и снизу фланцем. Наружный силовой цилиндр может быть выполнен сварным, и получен методом литья или наружный силовой цилиндр может быть выполнен не сварным и получен методом вытяжки. Форма и количество отверстий для тепловых мостов, а также их расположение в наружном силовом цилиндре выбирается в зависимости от размеров нагревательной головки.
В большинстве высокопроизводительных двигателей Стирлинга рабочее тело находится под давлением в герметичном сварном корпусе, а нагревательная головка испытывает высокие температуры от ≈500°С и выше. В связи с этим головку двигателя изготавливают из жаропрочных коррозионно-стойких сплавов. Техническими противоречиями в конструкциях с ребристой нагревательной головкой являются:
1) у жаропрочных коррозионно-стойких сплавов, как правило, низкий коэффициент теплопроводности, поэтому уменьшается тепловой поток в сторону рабочего тела и его температура, вследствие чего уменьшается КПД двигателя Стирлинга, это следует из формулы (1)
где  - температура рабочего тела в нагревательной головке;
- температура рабочего тела в холодильнике;
2) с увеличением максимального давления в цикле растет выходная мощность двигателя, это следует из формул (2), (3). Однако это приводит к увеличению толщины стенки головки двигателя, а, следовательно, и к уменьшению теплового потока в сторону рабочего тела, вследствие чего уменьшается КПД двигателя Стирлинга
где А - работа;
- максимальное давление в цикле;
V - объем;
t - время;
N - мощность.
Для решения данного противоречия предлагается нагревательная головка двигателя Стирлинга с наружным силовым цилиндром, в котором выполнены отверстия для получения тепловых мостов методом заливки литейного медного или алюминиевого сплавов, которые образуют одну цельную деталь с внутренними продольными и наружными радиальными ребрами (фиг. 1а)) с последующей механической обработкой наружных радиальных и внутренних продольных ребер и сваркой крышки сверху и фланца снизу (фиг. 1б)). Тепловые мосты образуют одну цельную деталь с внутренними продольными и наружными радиальными ребрами. При этом количество отверстий и их форма, расположение в наружном силовом цилиндре может быть любым в зависимости от размеров нагревательной головки.
Технология изготовления наружного силового цилиндра зависит от габаритных размеров и толщины стенки. Размеры и толщина стенки наружного силового цилиндра могут быть допустимы для изготовления методом вытяжки.
Если наружный силовой цилиндр выполнен не сварным и получен методом вытяжки, то тепловые мосты в нем выполняют методом заливки литейными медными или алюминиевыми сплавами (фиг. 2а)) с последующей механической обработкой внутренних продольных и наружных радиальных ребер (фиг. 2б)).
Таким образом, конструкция нагревательной головки с тепловыми мостами из медного или алюминиевого литейного сплава позволит увеличить тепловой поток в сторону рабочего тела за счет большего коэффициента теплопроводности по сравнению с жаропрочными коррозионно-стойкими сплавами. Данное решение позволит увеличить температуру рабочего газа в нагревательной головке, а, следовательно, и КПД двигателя Стирлинга, это видно из формулы (1).
Были проведены тепловые расчеты, которые показали, что температура внутренних продольных ребер с тепловыми мостами (фиг. 3) больше на 110°С, чем без них (фиг. 4). Исходные данные, используемые для теплового расчета конструкции: температура наружных радиальных ребер нагревателя 460°С; тепловая мощность, отводимая с внутренних продольных ребер - 2000 Вт; материал наружного силового цилиндра - сталь 12Х18Н10Т; материал тепловых мостов, наружных радиальных и внутренних продольных ребер - сплав М1.
На фиг. 1 приведена нагревательная головка, полученная методом литья и сварки: а) заготовка полученная методом литья; б) нагревательная головка; в) наружный силовой цилиндр.
На фиг. 1 позициями обозначены:
1 - литейный медный или алюминиевый сплав;
2 - наружный силовой цилиндр;
3 - тепловые мосты;
4 - внутренний цилиндр;
5 - поршень;
6 - наружные радиальные ребра;
7 - внутренние продольные ребра.
На фиг. 2 приведена нагревательная головка, полученная методом вытяжки и литья: а) заготовка полученная методом литья; б) нагревательная головка; в) наружный силовой цилиндр.
На фиг. 2 позициями обозначены:
1 - литейный медный или алюминиевый сплав;
2 - наружный силовой цилиндр;
3 - тепловые мосты;
4 - внутренний цилиндр;
5 - поршень;
6 - наружные радиальные ребра;
7 - внутренние продольные ребра.
На фиг. 3 приведен тепловой расчет нагревательной головки с тепловыми мостами.
На фиг. 4 приведен тепловой расчет нагревательной головки без тепловых мостов.
В статике, когда изделие не работает, наружный силовой цилиндр двигателя Стирлинга находится под давлением, при этом нагрев от источника тепла снаружи не подается. Температура наружного силового цилиндра поз. 2, тепловых мостов поз. 3, внутреннего цилиндра поз. 4, поршня поз. 5, наружных радиальных ребер поз. 6, внутренних продольных ребер поз. 7, примерно равна окружающей среде.
Устройство работает следующим образом: от источника тепла снаружи подается тепло, при этом теплопередача происходит: 1) конвективным теплообменом между внешней нагревающей средой и наружными радиальными ребрами поз. 6; 2) теплопроводностью от наружных радиальных ребер поз. 6 через наружный силовой цилиндр поз. 2 и через тепловые мосты поз. 3 к поверхностям внутренних продольных ребер поз. 7; 3) конвективным теплообменом от внутренних продольных ребер поз. 7 к рабочему газу двигателя Стирлинга, внутреннему цилиндру поз. 4 и поршню поз. 5. Во время работы рабочий газ внутри наружного силового цилиндра находится под давлением.
Материалы, которые могут быть применены для изготовления наружного силового цилиндра, внутреннего цилиндра и поршня приведены в таблице 1.
Материалы, которые могут быть применены для изготовления наружных радиальных ребер, тепловых мостов и внутренних продольных ребер в таблице 2.