ТЕПЛОТРУБНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВОЗВРАТНО-ПОСТУПАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ
HEAT-PIPE JET 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 (Авт.св. СССР №769038, МПК F01K 17/06, 1980).
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, и находящуюся в контакте с горячей средой, отделенную от нее перегородкой адиабатно-изоэнтропную камеру, заполненную фитилем, в которой помещен корпус с размещенной в нем силовой турбиной, насаженной на вал с питательным насосом, кольцевой резервуар, и конденсационную камеру, также изнутри покрытую фитилем, являющимся продолжением фитиля испарительной камеры, и находящуюся в контакте с холодной средой (Патент РФ №2287709, МПК F01K 25/00, 2006).
Основными недостатками известного теплотрубного двигателя являются сложность конструкции, обусловленная наличием в корпусе силовой турбины с вращающимся валом и узлами его герметизации и сложностью создания возвратно-поступательного движения рабочему органу, 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 двигатель возвратно-поступательного движения (ТТДВПД) включает в себя помещенные в одном корпусе испарительную камеру, покрытую изнутри фитилем, верхняя торцевая стенка которой покрыта полосами пористого материала, и находящуюся в контакте с горячей средой, отделенную от нее перегородкой конденсационную камеру, также изнутри покрытую фитилем, являющимся продолжением фитиля испарительной камеры, и находящуюся в контакте с холодной средой; причем фитиль покрыт втулкой, установленной с некоторым зазором относительно верхней и нижней торцевых стенок корпуса, перегородка снабжена центральным впускным отверстием, внутри конденсационной камеры к центру торцевой стенки прикреплен шток с клапаном, часть наружной поверхности корпуса, образующая конденсационную камеру, покрыта снаружи сильфоном, жестко прикрепленным к корпусу своей верхней кромкой, края нижней торцевой стенки соединены с кромкой внутреннего борта кольцевого резервуара, кромка внешнего борта которого, в свою очередь, жестко соединена с нижней кромкой сильфона, а центр - с наружным штоком, соединенным с рабочим органом (на фиг.1 не показан); полость между сильфоном и корпусом и паровое пространство конденсационной камеры сообщаются между собой через патрубки, проходящие через отверстия во втулке, фитиле и корпусе.
В основе работы предлагаемого ТТДВПД лежит высокая эффективность передачи теплоты в тепловых трубах, 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. (Харитонов В.В. и др. Вторичные теплоэнергоресурсы и охрана окружающей среды. Минск, Выш. школа, 1988, с.106).
На фиг.1-3 представлен предлагаемый ТТДВПД.
Теплотрубный двигатель возвратно-поступательного движения состоит из корпуса 1, покрытого изнутри фитилем 2, покрытым, в свою очередь, втулкой 3, установленной с некоторым зазором относительно верхней 4 и нижней 5 торцевых стенок корпуса 1, внутри которого по ходу движения пара расположены: испарительная камера 6, внутренняя поверхность торцевой стенки 4 которой покрыта полосами капиллярного материала 7, соединенными с фитилем 2. Имеются перегородка 8 с центральным впускным отверстием 9, конденсационная камера 10, внутри которой к центру нижней торцевой стенки 5 прикреплен шток 11 с клапаном 12 для закрытия и открытия впускного отверстия 9; причем часть наружной поверхности корпуса 1, образующая конденсационную камеру 10, покрыта снаружи сильфоном 13, жестко прикрепленным к нему своей верхней кромкой, края нижней торцевой стенки 5 соединены с кромкой внутреннего борта кольцевого резервуара 14, кромка внешнего борта которого, в свою очередь, жестко соединена с нижней кромкой сильфона 13, а центр - со штоком 15, соединенным с рабочим органом (на фиг.1 не показан); полость между сильфоном 13 и корпусом 1 и паровое пространство конденсационной камеры 10 сообщаются между собой через патрубки 16, проходящие через отверстия во втулке 3, фитиле 2 и корпусе 1.
В основе работы предлагаемого ТТДВПД лежит высокая эффективность передачи теплоты в тепловых трубах, 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. (Харитонов В.В. и др. Вторичные теплоэнергоресурсы и охрана окружающей среды. Минск, Выш. школа, 1988, с.106).
Предлагаемый теплотрубный двигатель возвратно-поступательного движения работает следующим образом.
Предварительно перед началом работы из камер 6 и 10 ТТДВПД 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 не показаны) в количестве, достаточном для заполнения объема пор фитиля 2 и кольцевого резервуара рабочей жидкости 14; после чего корпус 1 ТТДВПД устанавливают вертикально таким образом, чтобы испарительная камера 2 контактировала с горячей средой, а конденсационная камера 10 - с холодной; кольцевой резервуар рабочей жидкости 14 располагался горизонтально, причем в холодном состоянии клапан 12 плотно закрывает впускное отверстие 9. В результате нагрева торца 4 происходит испарение рабочей жидкости в канавках между полосами пористого материала 7, который предотвращает образование паровой пленки на внутренней поверхности торца и таким образом интенсифицирует процесс испарения (Тепловые трубы и теплообменники: от науки к практике. Сборник научных трудов. М., 1990). При этом образуется пар, в испарительной камере 2 создается давление, которое, воздействуя на поверхность клапана 12, жестко связанного через шток 11 и торцевую стенку 5 с упругим сильфоном 13, перемещает его вниз, в результате чего открывается впускное отверстие 9 и полученный пар поступает в конденсационную камеру 10, а оттуда через патрубки 16 в полость между корпусом 1 сильфоном 13, давление в которых уравнивается с давлением в испарительной камере 2, конденсируется там за счет контакта наружной поверхности торцевой стенки 5 и сильфона 13 с холодной средой. В результате давление в камере 10 падает, сильфон 13 сжимается, а клапан 12 перекрывает впускное отверстие 9, после чего в испарительной камере 6 снова начинает повышаться давление. В то же время образовавшийся конденсат за счет сил тяжести стекает в кольцевой резервуар 14, откуда всасывается порами фитиля 2, и под воздействием капиллярных сил адиабатно рабочая жидкость поднимается к верхней торцевой стенке 4, где поглощается полосами пористого материала 7, испаряется на поверхность канавок между ними, и цикл повторяется. При этом глубина погружения фитиля 2 в конденсат в кольцевой камере 14 должна обеспечивать бесперебойную подачу рабочей жидкости в испарительную камеру 6 в интервале длины хода сильфона 13, а ширина зазора между торцевыми стенками 4, 5 и кромками втулки 3 - максимальный расход рабочей жидкости, поступающей в испарительную камеру 6, и конденсата, отводимого из камеры 10.
Таким образом, предлагаемый ТТДВПД обеспечивает возможность получения 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 возвратно-поступательного движения.