ТЕПЛОВОЙ БЛОК ДВИГАТЕЛЯ СТИРЛИНГА
STIRLING ENGINE THERMAL BLOCK

Изобретение относится к области двигателестроения, а именно - к устройству теплового блока двигателей, работающих по циклу Стирлинга, и может быть использовано в различных двигательных установках Стирлинга, применяемых в изолированных районах, в космическом пространстве и т.д., и там, где неэффективно или невозможно применять двигатели внутреннего сгорания, а также паровые двигатели или турбины.
Известен двигатель Стирлинга [RU 2100634, опубл. 27.12.1997], содержащий по меньшей мере один цилиндр вытеснителя, в котором перемещается вытеснительный поршень, разделяющий объем цилиндра на горячую и холодную полости. При этом нагреватель, регенератор и охладитель установлены последовательно в магистрали, соединяющей горячую и холодную полости. Охладитель содержит цилиндрическую рубашку охлаждения, заполненную охлаждающей жидкостью и охватывающую цилиндр с поршнем, снабженную двумя кольцевыми коллекторами, подключенными к патрубкам подвода и отвода жидкости. Охладитель, выполненный по типу "труба в трубе", содержит кольцевые каналы, образованные при помощи втулок с внутренними отверстиями, расположенными равномерно по диаметру цилиндра в рубашке охлаждения, по которым циркулирует рабочее тело.
Недостатком данного устройства является недостаточный теплообмен цилиндрических стенок каналов охладителя с рабочей средой, что уменьшает эффективность двигателя.
Известен двигатель Стирлинга [RU 2008489, опубл. 28.02.1994], содержащий по меньшей мере один цилиндр с верхней крышкой-нагревателем, обращенной к внешнему источнику теплоты, вытеснительный и рабочий поршни, размещенные в цилиндре и разделяющие его объем на горячую полость, холодную полость и буферную полость, охладитель, регенератор и нагреватель, установленные последовательно в магистрали, соединяющей горячую и холодную полости, причем нагреватель выполнен в виде диска с размещенными в нем профилированными каналами, одна часть которых соединяет горячую полость с периферией диска, которая сообщена с другой частью каналов, соединяющих периферию диска с регенератором, при этом каналы нагревателя выполнены в виде усеченной по образующей цилиндрической трубы, обращенной большей своей поверхностью к источнику теплоты.
Недостатком этого двигателя являются необходимость использования в нагревателе диска с каналами, имеющего большую жесткость и толщину для того, чтобы выдерживать высокое давление рабочего тела (газа) внутри. Вторым недостатком является то, что для обеспечения требуемого теплового потока необходимо использовать большие габариты диска нагревателя, что затрудняет использование данной конструкции в многопоршневых двигателях. Третьим недостатком является низкая эффективность теплопередачи в охладителе, содержащим канал, в котором рабочее тело охлаждается за счет охлаждения стенок внешней рубашкой охладителя с циркулирующим в нем холодным теплоносителем.
Известен двигатель Стирлинга [RU 2007603, опубл. 15.02.1994], в котором горячий цилиндр вытеснителя, где перемещается поршень-вытеснитель с колпаком, выполнен с верхней куполообразной частью меньшего диаметра и тремя рядами равномерно расположенных радиальных каналов, два из которых расположены на стенке верхней части горячего цилиндра и к которым присоединены трубки нагревателя рабочего тела (газа), омываемые снаружи горячими газами в камере сгорания. Нагретое рабочее тело из данных трубок поступает в кольцевой регенератор для отдачи тепла, и, далее, в полость сжатия под поршнем-вытеснителем. Для повышения эффективности теплообмена на стенке горячего цилиндра в районе размещения регенератора находится третий ряд радиальных каналов, соединенный с регенератором. Данный ряд каналов является элементом дополнительного нагревателя рабочего тела, который образован объемом зазора между стенкой горячего цилиндра и колпаком поршня-вытеснителя. Недостатком данного устройства является недостаточная эффективность теплопередачи рабочему телу, а также нетехнологичность изготовления и ремонта двигателя, обусловленная использованием паяных соединений для присоединения двух рядов трубок нагревателя, что снижает срок службы двигателя.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является двигатель Стирлинга [RU 2757746, опубл. 21.10.2021], содержащий цилиндр вытеснителя с установленным в нем поршнем-вытеснителем, нагреватель, регенератор и охладитель, в котором нагреватель теплового блока состоит из наружного и внутреннего цилиндров, содержащих внутренние полости с циркуляцией внутри горячего теплоносителя, при этом на боковых поверхностях этих цилиндров, контактирующих с цилиндром вытеснителя нанесены продольные щелевые каналы. Нанесение щелевых каналов на двух цилиндрах нагревателя помогает повысить эффективность теплопередачи в нагревателе, добиться двухпроходности (двухходового) движения газа (вверх и вниз) в нагревателе и уменьшить его продольный размер вдвое. Недостатком прототипа является техническая сложность изготовления щелевых каналов нагревателя и охладителя.
Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции теплового блока двигателя Стирлинга при сохранении эффективности его работы.
Технический результат достигается тем, что в тепловом блоке двигателя Стирлинга, включающем цилиндр вытеснителя с установленным в нем поршнем-вытеснителем, нагреватель теплового блока, состоящий из наружного и внутреннего цилиндров и головки цилиндра, содержащих внутренние полости и соединяющиеся с образованием единого объема для циркуляции горячего теплоносителя, охладитель теплового блока, охватывающий нижнюю часть цилиндра вытеснителя и образованный рубашкой охлаждения, содержащей входной и выходной патрубки, и направляющей втулкой, новым является то, что объем между боковыми поверхностями нагревателя и охладителя и цилиндром вытеснителя заполнен сыпучим материалом, обладающим хорошей газопроницаемостью, высокой теплопроводностью и большой удельной поверхностью составляющих частиц. При этом, сыпучий материал может быть представлен кусочками металлической проволоки, металлической стружкой, кусочками керамики.
При прохождении рабочего тела (газа) сквозь этот сыпучий материал газу эффективно передается тепло от стенок цилиндров нагревателя, с которыми соприкасаются частицы сыпучего материала. Аналогично, охлаждение рабочего тела осуществляется посредством контактирования его с частицами сыпучего материала, передающего тепло стенкам охладителя.
Таким образом, перечисленные выше отличительные от прототипа признаки позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна». Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях, и, следовательно, обеспечивают заявляемому решению соответствие критерию «изобретательский уровень».
Сущность изобретения поясняется графическими материалами.
На Фиг. 1 представлена принципиальная схема предложенного теплового блока двигателя Стирлинга. Как представлено на фигуре 1, заявляемый тепловой блок двигателя Стирлинга состоит из цилиндра вытеснителя 1 с установленным в нем поршнем-вытеснителем 2, показанным на фигуре 1 в нижней «мертвой» точке, а также последовательно механически соединенных нагревателя 3, регенератора 4 и охладителя 5. Нагреватель 3 теплового блока состоит из наружного 6 и внутреннего 7 цилиндров, а также головки цилиндра 8, содержащих внутренние полости 9-11 соответственно. При этом внутренний цилиндр 7 нагревателя 3 в своей верхней части соединяется над стенками цилиндра вытеснителя 1 с наружным цилиндром 6 нагревателя 3, а в нижней части - с головкой цилиндра 8 таким образом, что их внутренние полости 9-11 образуют единый объем, в котором циркулирует горячий теплоноситель. В центре наружной части головки цилиндра 8 имеется входной патрубок 12 для входа горячего теплоносителя, а сбоку нижней части наружного цилиндра 6 нагревателя 3 имеется выходной патрубок 13 для выхода теплоносителя. Объем между боковыми поверхностями нагревателя 3 и цилиндром вытеснителя 1, заполнен сыпучим материалом 14, который может быть представлен кусочками металлической проволоки, металлической стружкой, кусочками керамики.
В средней части цилиндра вытеснителя 1 с внутренней поверхностью наружного цилиндра 6 нагревателя 3 последовательно соединен с образованием канала цилиндрический регенератор 4.
Движение поршня-вытеснителя 2 снизу ограничено направляющей втулкой 15, в которой находится аксиальный канал 16, где перемещается шток 17 поршня-вытеснителя 2, жестко соединенный с ним. Подпоршневое пространство (нижнюю часть цилиндра вытеснителя 1) охватывает охладитель 5 (фиг. 1).
Охладитель 5 заявляемого теплового блока двигателя Стирлинга образован рубашкой охлаждения 18, содержащей входной 19 и выходной 20 патрубки, через которые происходит поступление и отвод холодного теплоносителя, и направляющей втулкой 15. Объем между боковыми поверхностями охладителя 5 и цилиндром вытеснителя 1 также заполнен сыпучим материалом 14, между частицами которого циркулирует рабочее тело. В нижней части цилиндра расположен выходной патрубок 23 (фиг. 1), через который рабочее тело (газ) передается в рабочий цилиндр (на фигуре 1 не показан).
Заявляемый тепловой блок двигателя Стирлинга работает следующим образом. Когда поршень-вытеснитель 2 движется из нижней «мертвой» точки вверх, рабочее тело (газ) движется и нагревается, увеличивая давление, посредством контакта с полусферической частью нагревателя в головке цилиндра 8 и, далее, проходя между частиц сыпучего материала 14 между поверхностями внутреннего 7 и наружного 6 цилиндров нагревателя 3. Далее газ движется сквозь регенератор 4, дополнительно обмениваясь теплом с материалом регенератора 4. Затем нагретое рабочее тело движется между частиц сыпучего материала внутри охладителя 4, уже охлаждаясь и приводя к уменьшению давления. Изменение давления рабочего тела через входной патрубок 23 передается в рабочий цилиндр двигателя (не показан на фигуре), совершая полезную работу.
Пример 1
Заявляемый тепловой блок двигателя Стирлинга состоит из цилиндра вытеснителя 1 с установленным в нем поршнем-вытеснителем 2, показанным на фигуре 1 в нижней «мертвой» точке, а также последовательно механически соединенных нагревателя 3, регенератора 4 и охладителя 5. Нагреватель 3 теплового блока состоит из наружного 6 и внутреннего 7 цилиндров, а также головки цилиндра 8, содержащих внутренние полости 9-11 соответственно. При этом внутренний цилиндр 7 нагревателя 3 в своей верхней части соединяется над стенками цилиндра вытеснителя 1 с наружным цилиндром 6 нагревателя 3, а в нижней части - с головкой цилиндра 8 таким образом, что их внутренние полости 9-11 образуют единый объем, в котором циркулирует горячий теплоноситель. В центре наружной части головки цилиндра 8 имеется входной патрубок 12 для входа горячего теплоносителя, а сбоку нижней части наружного цилиндра 6 нагревателя 3 имеется выходной патрубок 13 для выхода теплоносителя.
В средней части цилиндра вытеснителя 1 с внутренней поверхностью наружного цилиндра 6 нагревателя 3 последовательно соединен с образованием канала цилиндрический регенератор 4.
Движение поршня-вытеснителя 2 снизу ограничено направляющей втулкой 15, в которой находится аксиальный канал 16, где перемещается шток 17 поршня-вытеснителя 2, жестко соединенный с ним. Подпоршневое пространство (нижнюю часть цилиндра вытеснителя 1) охватывает охладитель 5 (фигура).
Охладитель 5 заявляемого теплового блока двигателя Стирлинга образован рубашкой охлаждения 18, содержащей входной 19 и выходной 20 патрубки, через которые происходит поступление и отвод холодного теплоносителя, и направляющей втулкой 15.
В нижней части цилиндра расположен выходной патрубок 23 (фиг. 1), через который рабочее тело (газ) передается в рабочий цилиндр (на фигуре 1 не показан).
Объем, между боковыми поверхностями нагревателя и охладителя и цилиндром вытеснителя заполнен сыпучим материалом 14, частицами которого являются навитые из медной проволоки спирали ∅ 3 мм и высотой 3 мм. Коэффициент заполнения 10%.
Заявляемое устройство характеризуется гидравлическим сопротивление 350 Па и нагревом теплоносителя на 145°С при температуре циркулирующего горячего теплоносителя 250°С. Передаваемая тепловая мощность - 783 Вт.
Пример 2
Заявляемый тепловой блок двигателя Стирлинга выполнен согласно примеру 1, при этом в качестве сыпучего материала 14, которым заполняют объем, образованный между цилиндром вытеснителя и боковыми поверхностями охладителя и нагревателя, используют стружку из бронзы БРАЖ (безоловянный сплав на основе меди) с размерами чешуек 1-3 мм. Коэффициент заполнения 12%. Для данного примера гидравлическое сопротивление составляет 365 Па, нагрев теплоносителя на 180°С при температуре циркулирующего горячего теплоносителя 250°С. Передаваемая тепловая мощность - 928 Вт.
Пример 3
Заявляемый тепловой блок двигателя Стирлинга выполнен согласно примеру 1, при этом в качестве сыпучего материала, которым заполняют объем, образованный между цилиндром вытеснителя и боковыми поверхностями охладителя и нагревателя, используют кусочки керамики в виде колечек состава AlN с диаметром ∅ 4 мм и высотой 2 мм. Коэффициент заполнения 10%. 1. Гидравлическое сопротивление 340 Па, нагрев теплоносителя на 172°С при температуре циркулирующего горячего теплоносителя 250°С. Передаваемая тепловая мощность - 726 Вт.
Сопоставление с прототипом показывает, что при близких гидравлических потерях (гидравлическое сопротивление для прототипа составляет 320 Па, нагрев теплоносителя на 107°С при температуре циркулирующего горячего теплоносителя 250°С) передаваемая тепловая мощность прототипа в сравнении с примерами исполнения заявляемого устройства составляет 577, 783, 928 и 726 Вт, соответственно, что подтверждает технический результат изобретения.