Парожидкостная двигательная установка

 

Использование: в парожидкостной двигательной установке для преобразования тепловой энергии в механическую или электрическую работу. Сущность изобретения: данная установка содержит упругий испаритель переменного объема, соединенный через парожидкостной адиабатический канал с холодильником, к которому подключена нагнетательная труба, образующие U-образные колебательный контур, заполненный жидкостью, выполняющей роль маятника и участвующий в формировании рабочего тела. Испаритель и часть объема парожидкостного канала заполнены рабочим телом. К парожидкостному адиабатическому каналу подключена всасывающая труба с обратным клапаном. Колебательные движения жидкого маятника преобразуются в механическую или электрическую работу в преобразователях, в качестве которых могут быть использованы насосы съемного действия, линейный генератор, осевая гидротурбина с циркуляционным контуром и погружная гидротурбина. 15 з.п. ф-лы, 9 ил.

Изобретение относится к тепловым двигателям, а более конкретно, касается парожидкостной двигательной установки.

Известна парожидкостная двигательная установка (SU N 1776876, МКИ F 03 G, 7/06), содержащая испаритель с устройством теплоподвода, холодильник, соединенный с одной стороны с испарителями, а с другой с нагнетательно- всасывающей трубой, и преобразователь в виде объемного насоса, заполненных жидкостью, при этом часть объема испарителя заполнена газом или смесью газов.

Недостатком данной установки является невысокий КПД из-за недостаточно полной конденсации отработанного пара и охлаждения отработанного газа после завершения процесса расширения рабочего тела, а также из-за того, что в установке отсутствует колебательный контур с жидким поршнем в роли маятника, который можно было бы привести в резонанс и увеличить за счет этого КПД установки. Кроме того, в случае использования испарителей с малым внутренним объемом частичное заполнение их газом является недостаточным для получения максимального эффекта от его введения в объем испарителя. Следует также отметить, что конструкция испарителя с постоянным объемом в данной установке не обеспечивает ее работоспособность при низком потенциале подводимого тепла в случае использования водяного пара в качестве компонента рабочего тела, который образуется при заполнении установки водой. Это обусловлено тем, что в таких испарителях трудно обеспечить необходимые соотношения между объемом испарителя и площадью поверхности его контакта с источником тепла через устройство теплоотвода, в результате чего не обеспечивается требуемая скорость подвода тепла к рабочему телу для осуществления его работоспособности. Работоспособность парожидкостных двигательных установок с испарителем постоянного объема может быть обеспечена только при достаточно высоком потенциале подводимого тепла. Таким образом, конструкция испарителя постоянного объема в таких установках существенно ограничивает область их применения, а использование вместо воды низкокипящих жидкостей приведет к значительному усложнению конструкции и удорожанию парожидкостных двигательных установок, в которых в качестве преобразователя используется насос для перекачки воды. Ограничение области применения также обусловлено недостаточно высоким КПД такой установки.

Наиболее близкой к предлагаемой по технической сущности и достигаемому результату является парожидкостная двигательная установка (RU, A, N 2000013 МКИ F 01 K 19/08), содержащая испаритель с устройством теплоподвода, холодильник, соединенный с испарителем посредством парожидкостного канала, и нагнетательно-всасывающую систему, причем холодильник и парожидкостной канал выполнены в виде двух коаксиально расположенных труб, верхняя часть внутренней трубы парожидкостного канала имеет форму конуса с отверстиями в боковой поверхности у основания конуса, при этом нагнетательно-всасывающая система выполнена в виде нагнетательной и всасывающих труб, расположенных в вертикальной плоскости с образованием U-образных колебательных контуров, причем указанные трубы одним концом подсоединены соответственно к нижним концам наружной и внутренней труб холодильника, а другим к преобразователю, каналы установки заполнены жидкостью, а часть объема испарителя заполнена рабочим телом в виде парогазовой смеси.

Недостатком данной установки является недостаточно высокий КПД. Это обусловлено тем, что всасываемая холодная жидкость после завершения процесса расширения рабочего тела вводится в рабочий объем только после того, как она пройдет через холодильник и парожидкостной канал, где происходит ее постепенное нагревание за счет отбора тепла от отработанного рабочего тела через стенки канала. Такое охлаждение отработанного рабочего тела является малоэффективным при быстропротекающих процессах и не обеспечивает достаточно быстрого охлаждения отработанного рабочего тела, а следовательно, не обеспечивает более глубокого снижения давления в рабочем объеме в процессе обратного движения жидкости по межтрубному пространству к испарителю по сравнению со снижением давления в рабочем объеме при вводе в рабочий объем холодной всасываемой жидкости.

Кроме того, введение в парожидкостной канал нагретой всасываемой жидкости в конце обратного движения жидкости по межтрубному пространству не обеспечивает достаточно эффективного охлаждения рабочего тела. В результате скорость движения жидкости по межтрубному пространству в сторону испарителя из-за недостаточного снижения давления рабочего тела будет ниже по сравнению со скоростью ее движения при вводе в парожидкостной канал более холодной всасываемой жидкости в начале обратного движения жидкости к испарителю. Таким образом, снижение скорости движения жидкости к испарителю снижает эффективность гидрогазодинамических эффектов, обеспечивающих получение высокого КПД, а в случае использования в установке системы с двумя испарителями двумя парожидкостными каналами, двумя холодильниками и двумя нагнетательными трубами, соединенными между собой нагнетательными патрубками с образованием единого колебательного контура не позволит получить дополнительную работу за счет увеличения перепада давления между рабочими телами в парожидкостных каналах. Недостатком данного устройства также является неполное использование давления рабочего тела для создания напорного движения жидкости во время процесса расширения рабочего тела, поскольку часть работоспособности рабочего тела теряется на перемещение жидкости во всасывающей трубе, которая не совершает полезной работы в преобразователе.

Кроме того, данная установка имеет недостатки, связанные с использованием испарителя постоянного объема, а также с ограниченным количеством газового компонента в рабочем теле установки.

В основу изобретения положена разработка парожидкостой установки, обеспечивающей повышение КПД и расширение ее функциональных возможностей и области применения за счет расширения диапазона температур теплоподвода в сторону минимальных значений.

Задача решается тем, что в парожидкостной двигательной установке, согласно изобретению, испаритель выполнен упругим в виде щелевой емкости переменного объема, всасывающая труба снабжена обратным клапаном и подсоединена к парожидкостному адиабатическому каналу, часть объема которого заполнена газовым компонентом парогазовой смеси, при этом собственная частота колебаний упругого испарителя соответствует собственной частоте колебаний U-образного колебательного контура.

Выполнение испарителя упругим с щелевой емкостью переменного объема позволяет, во-первых, существенно уменьшить мертвый объем испарителя, а, во-вторых, изменять площадь теплообменной поверхности при работе установки, увеличивая ее в процессе подвода тепла к рабочему телу и резко уменьшая ее в процессе расширения рабочего тела с совершением работы, в результате чего существенно снижаются необратимые потери в этих процессах. Кроме того, энергия, запасаемая в стенках испарителя в виде упругих деформаций при повышении давления рабочего тела, обеспечивает получение дополнительной работы по мере снижения давления рабочего тела в процессе расширения, вытесняя его из объема испарителя в парожидкостной адиабатический канал. Равенство собственных частот упругого испарителя и U-образного колебательного контура обеспечивает значительное повышение эффективности установки за счет получения дополнительной работы.

Это обусловлено следующим. Поскольку предложенная парожидкостная двигательная установка представляет собой автоколебательную систему с двумя связанными резонаторами, одним из которых является U-образный колебательный контур с жидкостью, выполняющей роль маятника, а другим упругий испаритель, то степень взаимодействия резонаторов прямо зависит от их собственных частот. При равенстве, т.е. "резонансе" собственных часто резонаторов, это взаимодействие будет очень сильным, в результате чего практически вся энергия, запасенная от теплового источника, из резонатора в виде упругого испарителя перекачается в резонатор в виде U-образного колебательного контура с жидкостью в роли маятника. Это приведет к значительному увеличению скорости движения жидкости в колебательном контуре в процессе расширения рабочего тела и как следствие к увеличению амплитуды колебаний жидкости в колебательном контуре, что обеспечивает получение значительной дополнительной работы в преобразователе. Заполнение газовым компонентом рабочего тела, кроме испарителя и части объема парожидкостного канала, при использовании предлагаемого испарителя с малым внутренним объемом и большой площадью теплообменной поверхности позволяет не только повысить эффективность установки, но также расширить диапазон температур теплоподвода в сторону минимальных значений. Это обусловлено тем, что в конце обратного движения жидкости в сторону упругого щелового испарителя из нее на небольшую часть площади теплообменной поверхности испарителя, равной площади отверстия в нижней пластине испарителя, попадают капли и брызги, тогда как в щелевое пространство испарителя из парожидкостного канала поступает парогазовая смесь, которая из-за малой высоты щели при теплоизоляции нижней пластины испарителя нагревается по толщине от верхней пластины испарителя, к которой осуществляется теплоподвод, практически равномерно. Поэтому средняя температура парогазовой смеси в щелевом испарителе мало отличается от ее температуры у стенок испарителя, тогда как для получения такой же средней температуры в жестком испарителе с большим внутренним объемом температуры парогазовой смеси у стенки испарителя должна значительно превышать ее среднюю температуру из-за большой толщины слоя парогазовой смеси у стенки испарителя. Подсоединение всасывающей трубы с обратным клапаном к парожидкостному каналу обеспечивает более глубокое, чем в прототипе, охлаждение холодной жидкостью парогазовой смеси, вследствие чего ее давление снижается до более низких значений по сравнению с прототипом, причем указанное снижение давления происходит в начале, а не в конце, как в прототипе, процесса движения жидкости по парожидкостному каналу в сторону испарителя. Такое снижение давления рабочего тела ускоряет протекание гидрогазодинамических процессов, описанных ниже, и повышает их эффективность, а следовательно, повышает эффективность установки в целом.

Также согласно изображению упругий испаритель выполнен из двух плоских упругих пластин, герметично соединенных между собой по периметрам с образованием щелевой полости переменного объема, причем нижняя пластина в центральной части имеет отверстие для подключения к парожидкостному адиабатическому каналу, упругие пластины испарителя имеют одинаковые частоты собственных колебаний и могут быть выполнены либо в форме прямоугольника или многоугольника, либо гофрированной круглой формы.

Выполнение упругих пластин испарителя с одинаковыми частотами собственных колебаний обеспечивает условие, при котором испаритель будет иметь только одну частоту собственных колебаний. Выполнение испарителя в форме прямоугольника, многоугольника или гофрированным круглой формы обеспечивает минимальные напряжения на гранях испарителя, что существенно увеличивает ресурс их работы по сравнению с испарителями круглой формы.

Также согласно изобретению устройство теплоподвода выполнено в виде солнечного коллектора или солнечного концентратора с использованием линзы Френеля, а в качестве теплоприемной поверхности использована наружная поверхность одной из плоских пластин испарителя, на которую нанесено селективное покрытие, а другая пластина испарителя, подключенная к парожидкостному каналу, теплоизолирована. В месте подсоединения всасывающей трубы к парожидкостному адиабатическому каналу может быть установлен распылитель охлаждающей жидкости, а всасывающая труба с обратным клапаном может быть подсоединена к парожидкостному адиабатическому каналу по касательной к его наружной цилиндрической поверхности. Парожидкостной адиабатический канал имеет форму усеченного конуса, меньшее основание которого примыкает к испарителю, а большее основание к холодильнику.

Размещение щелевого испарителя непосредственно в устройстве теплоподвода в виде солнечного коллектора или концентратора позволяет обеспечить наиболее эффективную передачу тепла от теплового источника к рабочему телу. Установка распылителя охлаждающей жидкости в месте подсоединения всасывающей трубы к парожидкостному каналу позволяет повысить эффективность охлаждения рабочего тела за счет существенного увеличения площади контакта рабочего тела с охлаждающей жидкостью. Подсоединение всасывающей трубы с обратным клапаном по касательной к его наружной цилиндрической поверхности позволяет также увеличить площадь поверхности охлаждающей жидкости с рабочим телом за счет растекания ее по внутренней поверхности парожидкостного канала. Выполнение парожидкостного адиабатического канала в форме усеченного конуса позволяет увеличить скорость движения жидкости к испарителю и как следствие увеличить скорость протекания гидрогазодинамических процессов, что обеспечивает повышение термодинамической эффективности установки.

Кроме того, согласно изобретению выходной патрубок нагревательной трубы имеет форму сужающегося сопла, к которому герметично подсоединена дополнительная вертикально установленная труба с внутренним диаметром, превышающем минимальный диаметр сопла, а место подсоединения этой трубы расположено на уровне испарителя или выше его, при этом на одном выходном конце дополнительной трубы выполнено боковое отверстие, к которому подсоединена сливная трубка, а другой, выходной конец этой трубы выполнен изогнутым вниз.

Выполнение выходного патрубка нагнетательной трубы в форме сужающегося сопла, к которому герметично подсоединена дополнительная вертикально установленная труба с внутренним диаметром, превышающем минимальный диаметр сопла, позволяет фиксировать высоту подъема воды на разных уровнях при использовании данного устройства в качестве водоподъемной установки без изменения параметров колебательного контура. Расположение места подсоединения дополнительной трубы на уровне испарителя или выше его позволяет обеспечить высокую скорость движения жидкости к испарителю, что повышает скорость протекания гидрогазодинамических процессов и обеспечивает в итоге повышение термодинамической эффективности установки.

Целесообразно также, чтобы предлагаемая установка дополнительно содержала еще по меньшей мере один упругий испаритель в виде щелевой емкости переменного объема, по меньшей мере один дополнительный холодильник, подсоединенный к испарителю через дополнительный парожидкостной адиабатический канал, к которому подсоединена дополнительная всасывающая труба с обратным клапаном, и по меньшей мере одна дополнительная нагнетательная труба, сообщенная с дополнительным холодильником, при этом основные и дополнительные элементы образуют единый колебательный контур, а выходные патрубки обеих нагнетательных труб этого контура сообщены между собой посредством преобразования возвратно-поступательного движения жидкости в механическую или электрическую работу.

Введение в установку дополнительно еще по крайней мере одного идентичного упругого испарителя, парожидкостного канала, холодильника и нагнетательной трубы, образующих с основными элементами при подсоединении нагнетательных патрубков к преобразователю единый колебательный контур, позволяет повысить термодинамическую эффективность установки за счет увеличения перепада давлений между рабочими телами при подключении всасывающих патрубков к напорным трубам в зоне их соединения с холодильником, что позволяет получить дополнительную работу в процессе расширения рабочего тела.

Также согласно изобретению преобразователь выполнен в виде линейного генератора, индукционная обмотка которого расположена на наружной поверхности выходных патрубков нагнетательных труб, а магнитная система размещена внутри рабочего канала, образованного выходными патрубками, с кольцевым зазором и представляет собой постоянный магнит с поплавками, удельная плотность которой выбрана из условия равенства удельной плотности магнитной системы и удельной плотности жидкости, а размещение поплавков выбрано из условия расположения оси магнита параллельно оси рабочего канала. Преобразователь также согласно изобретению выполнен в виде осевой гидротурбины с циркуляционным контуром, к которому симметрично под острым углом подсоединены выходные патрубки нагнетательных труб, в каждом из которых установлена тонкая эластичная перегородка, отделяющая рабочее тело и жидкость от жидкости, циркулирующей в контуре, размеры и форма которой обеспечивают свободное перемещение жидкости, при этом вал осевой турбины герметично вынесен за пределы циркуляционного контура. Преобразователь, кроме того, выполнен в виде погружной пластинчатой турбины, рабочее колесо которой представляет собой ротор с жесткозакрепленными на его цилиндрической поверхности и радиально расположенными лопатками в форме пластин, расположенное с зазором в корпусе с образованием между лопатками замкнутых полостей, при этом корпус содержит по крайней мере два или другое четное количество патрубков, равномерно распределенных по периметру корпуса и выполненных в виде сопел, подключенных к корпусу по касательной к его цилиндрической поверхности, и к которым подключены нагнетательные трубы колебательных контуров, количество которых меньше в 2 раза количества сопел. Кроме того, установка может содержать дополнительно еще один преобразователь в виде насоса объемного действия, содержащего две камеры, в каждой из которых размещен щелевой упругий испаритель переменного объема. В установках по крайней мере с одним единым колебательным контуром всасывающий патрубок трубы с обратным клапаном подключен к напорной трубе в зоне ее соединения с холодильником для образования байпасного канала. В качестве газовой компоненты рабочего тела могут быть использованы воздух, азот, гелий, водород и другие инертные газы и их смеси.

Использование в качестве преобразователя линейного генератора осевой гидротурбины с циркуляционным контуром, пластинчатой погружной турбины и насоса объемного действия, в двух камерах которого размещены упругие испарители переменного объема, существенно расширяет функциональные возможности установки и области ее применения. Использование эластичной перегородки, разделяющей рабочее тело и жидкость от жидкости, циркулирующей в контуре, размеры и форма которой обеспечивают свободное перемещение жидкостей, позволяет подобрать такие жидкости, которые обеспечат максимальную термодинамическую и гидравлическую эффективность установки. Использование в качестве газового компонента рабочего тела воздуха, азота, гелия, водорода и других газов и их смесей позволяет получить оптимальное соотношение между свойствами парового и газового компонентов рабочего тела для достижения максимальной термодинамической эффективности установки.

На фиг. 1 показана принципиальная схема предлагаемой парожидкостной двигательной установки; на фиг. 2 устройство теплоподвода с испарителем; на фиг. 3 еще один вариант выполнения устройства теплоподвода; на фиг. 4 - принципиальная схема предлагаемой парожидкостной двигательной установки с линейным генератором; на фиг. 5 принципиальная схема предлагаемой парожидкостной двигательной установки с преобразователем в виде осевой гидротурбины; на фиг. 6 принципиальная схема предлагаемой парожидкостной двигательной установки с преобразователем в виде погружной пластинчатой турбины; на фиг. 7 сечение VII-VII на фиг. 6; на фиг. 8 сечение VIII-VIII на фиг. 6; на фиг. 9 принципиальная схема предлагаемой парожидкостной двигательной установки с двумя преобразователями, один из которых выполнен в виде насоса объемного действия.

Лучший вариант осуществления изобретения.

Парожидкостная двигательно-насосная установка содержит расположенные последовательно упругий испаритель 1 в виде щелевой емкости переменного объема с устройством 2 теплоподвода в виде солнечного коллектора, холодильник 3, соединенный через парожидкостной адиабатический канал 4 с испарителем 1, внутри которого и в части парожидкостного канала 4 находится рабочее тело в виде парогазовой смеси и которые совместно с нагнетательной трубкой 5 образуют U-образный колебательный контур 6 заполненный водой 7, выполняющей роль маятника и участвующей в формировании рабочего тела. Всасывающая труба 8 с обратным клапаном 9 и всасывающим патрубком 10 подключена к парожидкостному адиабатическому каналу 4. В месте подключения к парожидкостному каналу 4 всасывающая труба 8 содержит распылитель 11 жидкости. Всасывающая труба 8 также заполнена водой. Выходной патрубок 12 нагнетательной трубы 5 имеет форму сужающегося сопла, к которому подсоединена дополнительная труба 13 с внутренним диаметром, превышающем минимальный диаметр сопла, а место подсоединения этой трубы 13 расположено на уровне испарителя 1 или выше его, при этом на входном конце дополнительной трубы 13 выполнено боковое отверстие, к которому подсоединена сливная труба 14, а другой выходной конец этой трубы выполнен изогнутым вниз. Собственная частота колебаний упругого испарителя 1 соответствует собственной частоте колебания U-образного колебательного контура 6. Данная установка используется в качестве водоподъемной. Подвод теплоты к испарителю 1 производится в устройстве 2 теплоподвода с помощью нагревающей среды либо в виде различных теплоносителей, либо потока солнечного излучения.

Примеры использования неконцентрированного и концентрированного солнечного излучения представлены на фиг. 2 и 3.

Устройство 2 теплоподвода (фиг. 2) выполнено в виде солнечного коллектора 15 с двойным остеклением, корпус 16 которого выполнен из армированного пенополиуретана, при этом испаритель 1 представляет собой две плоские упругие пластины 17 и 18, которые соединены между собой по периметру с образованием щелевой полости 19 переменного объема. В качестве теплоприемной поверхности в данном устройстве использована наружная поверхность пластины 17, с нанесенным на нее селективным покрытием, а нижняя пластина 18 в центральной части имеет отверстие 20 для подключения к парожидкостному каналу 4. Упругие пластины 17 и 18 испарителя 1 имеют одинаковые частоты собственных колебаний и выполнены в форме прямоугольников, шестигранников или восьмигранников, а также могут быть выполнены в виде гофрированных пластин круглой формы.

На фиг. 3 представлено устройство 2 теплоподвода, выполненное в виде солнечного концентратора с линзой 21 Френеля, в котором в качестве теплоприемной поверхности использована наружная поверхность пластины 17 испарителя 1.

Установка работает следующим образом.

Перед началом работы установка заполняется водой, а в испаритель 1 и часть объема парожидкостного адиабатического канала 4 вводится воздух. Затем к рабочему телу через стенки испарителя 1 подводится теплота солнечного теплового потока в солнечном теплоприемнике, а в холодильнике 3 от него отводится теплота отработанного рабочего тела. Под действием теплоты, подведенной к рабочему телу в испаритель 1 и отведенной от него в холодильнике 3, в данной двигательно-насосной установке совершаются последовательно протекающие термодинамические циклы с пузырьковой регенерацией и струйным дозированным впрыском жидкости в испаритель 1, каждый из которых включает следующие последовательно протекающие процессы: процесс повышения давления рабочего тела при подводе к нему тепла в испарителе 1, процесс расширения рабочего тела в парожидкостном адиабатическом канале 4 с совершением работы по перемещению жидкости 7 в U-образном колебательном контуре 6 с выбросом части ее через сужающее сопло 12 нагнетательной трубы 5 в дополнительную трубу 13, где она свободно движется, не касаясь стенок до изогнутого вниз выходного конца, процесс охлаждения части отработанного рабочего тела с конденсацией парового компонента в холодильнике 3 и понижением давления рабочего тела ниже атмосферного, обеспечивающим открытие обратного клапана 9, процесс всасывания порции холодной перекачиваемой жидкости через всасывающий патрубок 10 всасывающей трубы 8 в объем парожидкостного канала 4 через распылитель 11, обеспечивающий контактное высокоэффективное охлаждение рабочего тела с конденсацией парового компонента и резкое снижение давления рабочего тела, процесс обратного движения жидкости по U-образному колебательному контуру 6 к испарителю 1 под действием гидростатического напора, процесс ввода рабочего тела в испаритель 1.

Газодинамические и тепломассообменные процессы в данной установке при использовании рабочего тела в виде парогазовой смеси, обеспечивающие возникновение пузырьковой регенерации и струйного дозированного впрыска жидкости на теплообменную поверхность испарителя с образованием на ней жидкой пленки, подробно описаны в прототипе и здесь не раскрываются.

При выполнении испарителя 1 в виде упругой щелевой полости переменного объема его объем в исходном ненапряженном состоянии может быть очень небольшим или даже равным нулю, а минимальная площадь теплообменной поверхности при объеме полости, равной нулю, будет соответствовать площади отверстия испарителя 1. По мере повышения давления рабочего тела при испарении жидкости, попавшей на поверхности испарителя 1, его стенки будут изгибаться в пределах упругих деформаций, увеличивают объем полости испарителя. Это обеспечит возможность входа в испаритель рабочего тела в виде парогазовой смеси и приведет к многократному увеличению его теплообменной поверхности, что позволит эффективно передать рабочему телу теплоту от стенок испарителя.

Предложенная двигательно-насосная установка представляет собой автоколебательную систему с двумя связанными резонаторами, источником энергии и обратной связью между резонаторами и источником энергии. Одним из резонаторов является U-обратный колебательный контур 6 с маятником в виде жидкости, заполняющей этот контур, а другим резонатором является упругий испаритель 1 переменного объема. Обратную связь между резонаторами и источником энергии выполняет рабочее тело, посредством которого обеспечивается регулирование поступления в резонаторы энергии от теплового источника с частотой и амплитудой, определяемой свойствами самой автоколебательной системы. Резонаторы связаны между собой также через рабочее тело. При этом степень взаимодействия резонаторов прямо зависит от из собственных частот. При равенстве, т. е. "резонансе" собственных частот резонаторов, это взаимодействие будет очень сильным, в результате чего практически вся энергия, запасенная от теплового источника, из резонатора в виде упругого испарителя 1 переменного объема перекачивается в резонатор в виде U-образного колебательного контура 6. Это приведет к значительному увеличению скорости движения жидкости в процессе расширения рабочего тела и как следствие подъему воды, выходящей из установки через нагнетательный патрубок, на значительно большую высоту. Вода за счет сужающегося сопла 12 на выходе нагнетательной трубы 5 ускоряется при выходе из установки и поднимается на высоту, существенно большую по сравнению с подъемом воды при использовании нагнетательной трубы без сужающегося сопла 12. С помощью дополнительной вертикальной трубы 13 обеспечивают подачу воды на требуемую высоту. Для этого подбирается дополнительная труба 13 соответствующей длины. Исключить возврат перекачиваемой воды в установку через сопло 12 при запуске установки или во время снижения ее производительности можно с помощью сливной трубки 14, обеспечивающей слив воды из дополнительной трубы 13 в емкость.

На фиг. 4 изображена парожидкостная двигательная установка, которая содержит дополнительно последовательно расположенные упругий испаритель 1 в виде щелевой емкости переменного объема, холодильник 3, всасывающую трубу 8 с обратным клапаном 9 и нагнетательную трубу 5, при этом основные и дополнительные элементы образуют единый колебательный контур 22, а выходные патрубки 23 основной и дополнительной нагнетательных труб 5 сообщены между собой посредством преобразователя, выполненного в виде линейного генератора 24. Индукционная обмотка 25 этого генератора расположена на наружной поверхности выходных патрубков 23 основной и дополнительной нагнетательных труб 5, а магнитная система размещена внутри рабочего канала, образованного выходными патрубками 23 основной и дополнительной нагнетательных труб 5, с кольцевым зазором и представляет собой постоянный магнит 26 с поплавками 27, удельная плотность которой выбрана из условия равенства удельной плотности жидкости, и размещение поплавков 27 выбрано из условия расположения оси магнита 26 параллельно оси рабочего канала. Рабочая зона канала выполнена из немагнитного материала, а величина кольцевого зазора между магнитом 26 и внутренней поверхности рабочего канала и его длина выбрана из условия отсутствия перетекания жидкости через кольцевой канал. Основная и дополнительная нагнетательные трубы 5 подсоединены соответственно к основному и дополнительному холодильникам 3, которые соединены соответственно с основным и дополнительным испарителями 1 через основной и дополнительный парожидкостные адиабатические каналы 4. Основная и дополнительная всасывающие трубы 8 с обратными клапанами 9 подключены соответственно к основному и дополнительному парожидкостным каналам 4, а всасывающие патрубки 10 основной и дополнительной всасывающих труб 8 подключены соответственно к основной и дополнительной напорный трубам 5 в зоне их соединения с основным и дополнительным холодильниками 3 для образования байпасных каналов. Единый колебательный контур 22 заполнен жидкостью, а основной и дополнительный испарители 1 и часть обоих парожидкостных адиабатических каналов 4 заполнены рабочим теплом в виде парогазовой смеси.

Установка с линейным генератором работает следующим образом.

Перед началом работы двигательной установки магнитная система фиксируется под индукционной обмоткой 25 так, что объемы основных и дополнительных элементов по обе стороны магнитной системы были равны. Затем двигательная установка заправляется жидкостью 7, объемы испарителей 1 и парожидкостных адиабатических каналов 4 заправляется рабочим телом. Жидкость в данной установке выполняет роль маятника в едином U-Образном колебательном контуре 22. Малейшего отклонения от равновесия в такой автоколебательной системе будет достаточно, чтобы раскачать маятник до стационарного режима колебаний. Вместе с жидкостью колебательные движения будет совершать магнитная система, индуцируя в обмотке 25 электродвижущую силу (эдс). Раскачка маятника вместе с магнитной системой, содержащей магнит 26, до стационарного состояния и его поддержание будет осуществляться при реализации гидрогазодинамических, тепломассообменных и термодинамических процессов в данной установке. Выполнение магнитной системы в виде магнита с поплавками, свободно перемещаемой в жидкости без трения о стенки, делает конструкцию надежной и достаточно простой.

На фиг.5 изображена парожидкостная двигательная установка с преобразователем в виде осевой гидротурбины 28 с циркуляционным контуром 29, к которому симметрично под острым углом подсоединены выходные патрубки 23 двух нагнетательных труб 5, основной и дополнительной, в каждой из которых установлена тонкая эластичная перегородка 30, отделяющая рабочее тело и жидкость от жидкости 31, циркулирующей в контуре 29. При этом размеры и форма перегородки 30, а также ее толщина и эластичные свойства выбраны из условия, что перегородка не оказывает сопротивления движению жидкости в каналах двигателей и не изменяет собственную частоту колебательного контура с жидким маятником. Основная и дополнительная нагнетательные трубы 5 подсоединены соответственно к основному и дополнительному холодильникам 3, которые соединены соответственно с основным и дополнительным испарителями 1 через основной и дополнительный парожидкостные адиабатические каналы 4. Основная и дополнительные всасывающие трубы 8 с обратными клапанами 9 подключены соответственно к основному и дополнительному парожидкостным каналам 4, а всасывающие патрубки 10 основной и дополнительной всасывающих труб 8 подключены соответственно к основной и дополнительной нагнетательным трубам 5 в зоне их соединения с основным и дополнительным холодильником 3 для образования байпасных каналов. При этом основные и дополнительные элементы образуют единый колебательный контур, заполненный жидкостью, а основной и дополнительный испарителя 1 и часть основного и дополнительного парожидкостных адиабатических каналов 4 заполнены рабочим телом в виде парогазовой смеси. Циркуляционный контур 29 также заполнен жидкостью а вал 32 осевой гидротурбины 28 герметично вынесен за пределы циркуляционного контура 29, на котором установлена камера 33 переменного объема. Узел подключения нагнетательных труб 5 к циркуляционному контуру 29 выполняет роль струйного преобразователя 34.

Струйный преобразователь 34 представляет собой устройство, в котором возвратно-поступательное движение жидкости 7 в колебательное движение жидкости 31 с небольшой амплитудой в циркуляционном контуре 29 за счет передачи импульса количества движения от жидкости 7 колебательного контура жидкости 31, размещенной в циркуляционном контуре 29, а также массообмена между указанными жидкостями 7 и 31 в струйном преобразователе 34. Камера 33 переменного объема, установленная на циркуляционном контуре 29, необходима для осуществления запуска двигателя, а также для изменения среднего давления в установке с целью обеспечения ее работы в оптимальном режиме при различных нагрузках на валу 32 гидротурбины 28. Гидротурбина 28 позволяет преобразовать кинетическую энергию потока жидкости 31, движущегося по циркуляционному контуру 29 во вращательное движение вала 32 гидротурбины 28, с которого снимается работа с помощью различных механизмов и устройств. Тонкая эластичная перегородка 30 позволяет отделить жидкость циркуляционного контура 29, а также предотвратить унос газового компонента из рабочих тел, что делает работу установки устойчивой.

На фиг. 6-8 изображена парожидкостная двигательная установка с преобразователем в виде погружной пластинчатой гидротурбины. Рабочее колесо 35 (фиг.7) гидротурбины выполнено в виде ротора 36 с жесткозакрепленными на его цилиндрической поверхности и радиально расположенными лопатками 37 в форме пластин, расположенное с зазором в корпусе 38 с образованием между лопатками замкнутых полостей. При этом корпус 38 содержит по крайней мере два или другое четное количество патрубков 39, равномерно распределенных по периметру корпуса и выполненных в виде сопел, подключенных к корпусу по касательной к его цилиндрической поверхности, и к которым подключены нагнетательные трубы 5 колебательных контуров, количество которых меньше в 2 раза количества сопел. Все сопла 39 подключены к корпусу 38 так, чтобы струи жидкости, выбрасываемые из сопел на лопатки 37 рабочего колеса 35, создавали вращательный момент в одном направлении. Упругие испарители 1 в каждом колебательном контуре имеют плоскую прямоугольную форму с выходными патрубками на нижней его грани, причем каждый испаритель 1 при количестве колебательных контуров не менее двух боковыми гранями примыкает к двум смежным так, что испарители всего набора колебательных контуров образуют камеру сгорания в виде замкнутого канала 40 (фиг.8). Горелка или под 41 с загрузочным устройством размещены в основании канала 40. Теплоизоляционная оболочка 42 (фиг.6) выполнена в виде перевернутого стакана и установлена с зазором по отношению к наружной поверхности испарителя 1.

Вокруг оболочки 42 размещена с зазором полая обечайка 43, выполняющая роль регенеративного воздухоподогревателя, в верхней части которой установлена тяговая труба 44. Всасывающий патрубок 10 всасывающей трубы 8 с обратным клапаном 9 в каналах каждого колебательного контура подключен к напорной трубе 5 в зоне ее соединения с холодильником 3 для образования байпасного канала.

В данном гидротурбинном преобразователе в отличие от существующих входные патрубки являются одновременно и выходными. Назначение патрубков меняется в зависимости от направления движения жидкости в колебательных контурах.

Рассмотрим работу гидротурбины на примере установки с одним U-образным колебательным контуром. При движении жидкого маятника в колебательном контуре в одну сторону жидкость входит в гидротурбину через один патрубок 39 и, попадая на лопатки 37 рабочего колеса 35, создает вращательный момент, под действием которого рабочее колесо начинает вращаться. При вращении рабочего колеса 35 жидкость, вошедшая в турбину, перемещается порциями в полостях, образованных соседними лопатками 37 и стенками корпуса 38, к другому патрубку 39, а затем, достигнув этого патрубка, выходит через него из турбины. При движении жидкого маятника в другую сторону назначение патрубков 39 меняется, входной патрубок становится выходным, а выходной входным. Однако и в этом случае жидкость, вошедшая в турбину, сообщит рабочему колесу 35 вращательный момент в том же направлении. Таким образом, возвратно-поступательное движение жидкого маятника в предложенной гидротурбине будет преобразовано во вращательное однонаправленное движение вала. Колебания жидкого маятника в U-образном колебательном контуре установки осуществляется под действием гидродинамических, тепломассообменных и термодинамических процессов. При большем количестве колебательных контуров гидротурбина будет иметь количество патрубков 39, в два раза превышающем количество колебательных контуров, при этом колебательные контуры будут формироваться каждой парой смежных нагнетательных труб 5, причем эти пары будут последовательно меняться в процессе работы двигательной установки.

На фиг. 9 изображена парожидкостная двигательная установка с двумя преобразователями. В качестве дополнительного преобразователя использован клапанный насос объемного действия, преимущественно для нагретых жидкостей, содержащий две камеры 45, 46, в каждой из которых размещены упругие щелевые испарители 1 переменного объема. Выходные патрубки двух нагнетательных труб 5 U-образного колебательного контура подсоединены к основному преобразователю 47, в качестве которого может быть использован либо линейный генератор, либо гидротурбинный преобразователь, либо насос в виде струйного преобразователя. В парожидкостных адиабатических каналах 4, подключенных с одной стороны к испарителю 1, а с другой к холодильникам 3, размещены вставки 48 с продольными каналами одинаковой формы и сечения, заполняющих все сечение вставки.

Для запуска данной двигательной установки в его рабочие камеры 45 и 46 подают подлежащую перемещению насосом горячую жидкость, например, горячую сетевую воду. Через стенки испарителей 1 тепло перекачиваемой жидкости получает находящееся в испарителях рабочее тело. При нагревании рабочего тела давление в испарителях повышается. Под действием этого давления стенки испарителей выпучиваются, увеличивая объем испарителей. При этом происходит уменьшение объема рабочих камер 45 и 46 с возрастанием давления в них, и перекачиваемая горячая жидкость вытесняется из камер 45 и 46 в отводящий участок магистрального трубопровода (не показан). В данной установке процессы термодинамических циклов в коленах U-образного колебательного контура осуществляются в противофазе между собой, и, следовательно, в противофазе будут находиться процессы повышения и понижения давления в камерах 45 и 46 насоса объемного действия, что приводит к созданию непрерывного потока перекачиваемой жидкости. Вставки 48 обеспечивают эффективную работу установки при увеличении ее единичной мощности, что было показано в установке по прототипу. Чем больше единичная мощность установки, тем большее количество каналов во вставках 48 требуется для ее эффективной работы.

Эксплуатация предложенной установки с насосом объемного действия не требует специального теплового источника, а отбираемое у перекачиваемой жидкости тепло используется практически без потерь, что существенно повышает эффективность работы установки. Установка же второго преобразователя на колебательном контуре повышает функциональные возможности установки и расширяет области его применения.

Данная установка широко применяется в качестве приводов насосов, вентиляторов, электрогенераторов, а также двигателей плавучих, колесных и летательных средств и других транспортных устройств.

Формула изобретения

1. Парожидкостная двигательная установка, содержащая расположенные последовательно испаритель с устройством теплоподвода, холодильник, соединенный через парожидкостный адиабатический канал с испарителем, внутри которого находится рабочее тело в виде парогазовой смеси и которые совместно с нагнетательной трубой образуют U-образный колебательный контур, заполненный жидкостью, всасывающую трубу, подключенную к колебательному контуру, и преобразователь возвратно-поступательного движения жидкости в механическую или электрическую работу, отличающаяся тем, что испаритель выполнен упругим в виде щелевой емкости переменного объема, всасывающая труба снабжена обратным клапаном и подсоединена к парожидкостному адиабатическому каналу, часть объема которого заполнена газовым компонентом парогазовой смеси, при этом собственная частота колебаний упругого испарителя соответствует собственной частоте колебаний U-образного колебательного контура.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что упругий испаритель выполнен из двух плоских упругих пластин, герметично соединенных между собой по периметрам с образованием щелевой полости переменного объема, причем нижняя пластина в центральной части имеет отверстие для подключения к парожидкостному адиабатическому каналу, упругие пластины испарителя имеют одинаковые частоты собственных колебаний.

3. Установка по п. 2, отличающаяся тем, что упругие пластины плоского испарителя выполнены в форме прямоугольника или многоугольника.

4. Установка по п.2, отличающаяся тем, что упругие пластины испарителя выполнены гофрированными круглой формы.

5. Установка по п.2, отличающаяся тем, что устройство теплоподвода выполнено в виде солнечного коллектора или солнечного концентратора с использованием линзы Френеля, а в качестве теплоприемной поверхности использована наружная поверхность одной из плоских пластин испарителя, на которую нанесено селективное покрытие, а другая пластина испарителя, подключенная к парожидкостному каналу, теплоизолирована.

6. Установка по п.1, отличающаяся тем, что в месте подсоединения всасывающей трубы к парожидкостному адиабатическому каналу установлен распылитель охлаждающей жидкости.

7. Установка по п.1, отличающаяся тем, что всасывающая труба с обратным клапаном подсоединена к парожидкостному адиабатическому каналу по касательной к его наружной цилиндрической поверхности.

8. Установка по любому из пп.1 7, отличающаяся тем, что парожидкостной адиабатический канал имеет форму усеченного конуса, меньшее основание которого примыкает к испарителю, а большее основание к холодильнику.

9. Установка по п.6, отличающаяся тем, что выходной патрубок нагнетательной трубы имеет форму сужающегося сопла, к которому герметично подсоединена дополнительная вертикально установленная труба с внутренним диаметром, превышающим минимальный диаметр сопла, и место подсоединения этой трубы расположено на уровне испарителя или выше его, при этом на одном входном конце дополнительной трубы выполнено боковое отверстие, к которому подсоединена сливная трубка, а другой, выходной конец этой трубы выполнен изогнутым вниз.

10. Установка по п.1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит еще по меньшей мере один идентичный упругий испаритель в виде щелевой емкости переменного объема, по меньшей мере один дополнительный холодильник, подсоединенный к испарителю через дополнительный парожидкостной адиабатический канал, к которому подсоединена дополнительная всасывающая труба с обратным клапаном, и по меньшей мере одна дополнительная нагнетательная труба, сообщенная с дополнительным холодильником, при этом основные и дополнительные элементы образуют единый колебательный контур и выходные патрубки обеих нагнетательных труб этого контура сообщены между собой посредством преобразователя возвратно-поступательного движения жидкости в механическую или электрическую работу.

11. Установка по п.10, отличающаяся тем, что преобразователь выполнен в виде линейного генератора, индукционная обмотка которого расположена на наружной поверхности выходных патрубков нагнетательных труб, а магнитная система размещена внутри рабочего канала, образованного выходными патрубками, с кольцевым зазором и представляет собой постоянный магнит с поплавками, удельная плотность которой выбрана из условия равенства удельной плотности магнитной системы и удельной плотности жидкости, а размещение поплавков выбрано из условия расположения оси магнита параллельно оси рабочего канала.

12. Установка по п.10, отличающаяся тем, что преобразователь выполнен в виде осевой гидротурбины с циркуляционным контуром, к которому симметрично под острым углом подсоединены выходные патрубки нагнетательных труб, в каждом из которых установлена тонкая эластичная перегородка, отделяющая рабочее тело и жидкость от жидкости, циркулирующей в контуре, размеры и форма которой обеспечивают свободное перемещение жидкости, при этом вал осевой турбины герметично вынесен за пределы циркуляционного контура, а на циркуляционном контуре установлена камера с полостью переменного объема.

13. Установка по п.10, отличающаяся тем, что преобразователь выполнен в виде погружной пластинчатой турбины, рабочее колесо которой представляет собой ротор с жесткозакрепленными на его цилиндрической поверхности и радиально расположенными лопатками в форме пластин, расположенной с зазором в корпусе с образованием между лопатками замкнутых полостей, при этом корпус содержит по крайней мере два или другое четное количество патрубков, равномерно распределенных по периметру корпуса и выполненных в виде сопл, подключенных к корпусу по касательной к его цилиндрической поверхности, и к которым подключены нагнетательные трубы колебательных контуров, количество которых меньше в 2 раза количества сопл.

14. Установка по пп.1 и 10, отличающаяся тем, что она содержит дополнительно еще один преобразователь в виде насоса объемного действия, содержащего две камеры, в каждой из которых размещен упругий испаритель переменного объема.

15. Установка по пп.10 14, отличающаяся тем, что всасывающий патрубок трубы с обратным клапаном подключен к напорной трубе в зоне ее соединения с холодильником для образования байпасного канала.

16. Установка по пп.1 и 10, отличающаяся тем, что в качестве газового компонента рабочего тела использованы воздух, азот, гелий, водород и другие газы и их смеси.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9