Комбинированный регенеративный теплообменник двигателя стирлинга
Владельцы патента RU 2755014:
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Российский университет дружбы народов" (РУДН) (RU)
Изобретение относится к энергомашиностроению и может применяться в двигателях Стирлинга, содержащих регенеративный теплообменник. Теплоизоляционный корпус регенеративного теплообменника двигателя Стирлинга выполнен с двумя патрубками, подключенными соответственно к нагревателю и холодильнику. Внутри корпуса размещены по меньшей мере два насадка, последовательно расположенные между патрубками. Каждый насадок выполнен в виде трубки с герметично закрытыми концами, при этом внутри каждой трубки содержится наполнитель. Температура плавления наполнителя каждого насадка соответственно возрастает в направлении от патрубка холодильника к патрубку нагревателя. Поперечный профиль стенки каждой трубки выполнен в форме овала, каждая трубка изогнута в виде спирали, при этом большая ось овала ориентирована в направлении оси спирали. Техническим результатом изобретения является увеличение теплоемкости насадок. 2 ил.
Изобретение относится к энергомашиностроению и может применяться в двигателях Стирлинга, содержащих регенеративный теплообменник.
Известен комбинированный регенеративный теплообменник микрокриогенной системы для охлаждения в температурном диапазоне до 70К, включающий теплоизоляционный корпус, находящуюся внутри корпуса насадку из плетеной металлической сетки, при этом насадок состоит из трех частей, каждая из которых выполнена из металла с максимальной объемной теплоемкостью в своем диапазоне температур: - «холодная» часть насадки регенеративного теплообменника изготовлена из материала с объемной теплоемкостью СVH>2,02⋅106 Дж/м3К в диапазоне температур 70-90К, при этом длина «холодной» части составляет lх=0,087⋅L, где L - общая длина регенератора; - «средняя» часть - из материала с объемной теплоемкостью СVH>3,0⋅106 Дж/м3К в диапазоне температур от 90К до 210К, при этом длина «средней» части составляет lc=0,522⋅L; - «теплая» часть - из материала с объемной теплоемкостью СVH>3,72⋅106 Дж/м3К в диапазоне температур от 210К до 300К, при этом длина «теплая» части составляет lт=0,391⋅L [Патент на полезную модель RU 176892]. Общими признаками заявленного изобретения с наиболее близким аналогом являются комбинированный регенеративный теплообменник двигателя Стирлинга, содержащий теплоизоляционный корпус с двумя патрубками, подключенными соответственно к нагревателю и холодильнику и находящиеся внутри корпуса по меньшей мере два насадка, последовательно расположенные между патрубками нагревателя и холодильник. Недостатком данного комбинированного регенеративного теплообменника двигателя Стирлинга является несовершенство термодинамического цикла и высокие потери теплоты из-за недорекуперации регенеративного теплообменника вследствие недостаточной объемной теплоемкости насадков.
Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является устранение указанных выше недостатков прототипа.
Технический результат заключается в повышении эффективности работы двигателя Стирлинга путем повышения теплоемкости насадков и, как следствие, к повышению рекуперативной способности регенеративного теплообменника.
Технический результат достигается за счет того, что в комбинированном регенеративном теплообменнике двигателя Стирлинга, содержащем теплоизоляционный корпус с двумя патрубками, подключенными соответственно к нагревателю и холодильнику, и находящиеся внутри корпуса по меньшей мере два насадка, последовательно расположенные между патрубками, каждый насадок выполнен в виде трубки с герметично закрытыми концами, при этом внутри каждой трубки содержится наполнитель, причем температура плавления наполнителя каждого насадка соответственно возрастает в направлении от патрубка холодильника к патрубку нагревателя, а поперечный профиль стенки каждой трубки выполнен в форме овала, каждая трубка изогнута в виде спирали, при этом большая ось овала ориентирована в направлении оси спирали.
Изобретение поясняется чертежом, где на фигуре 1 показан продольный разрез комбинированного регенеративного теплообменника двигателя Стирлинга, на фигуре 2 - фрагмент поперечного разреза трубки спирали с наполнителем.
Заявленный комбинированный регенеративный теплообменник двигателя Стирлинг содержит теплоизоляционный корпус 1 с двумя патрубками 2 и 3. Патрубок 2 подключен к нагревателю, а патрубок 3 подключен к холодильнику (на фиг. 1 не показано). Внутри корпуса 1 размещены два насадка 4 и 5, последовательно расположенные между патрубками 3 и 2. Каждый насадок 4 и 5 может быть выполнены в виде трубки 6 из материала никель диаметром 1 мм и толщиной стенки 0.1 мм с герметично закрытыми концами. Внутренняя полость трубки 6 насадка 4 содержит наполнитель 7, выполненный из олова (Sn) с температурой плавления 231,9°С. Насадок 5 содержит наполнитель 7, выполненный из цинка (Zn) с температурой плавления 419,5°С, что выше температуры плавления наполнителя, выполненного из олова. Поперечный профиль стенки каждой трубки 6 выполнен в форме овала, каждая трубка (6) изогнута в виде спирали, при этом большая ось f-f овала ориентирована в направлении оси g-g спирали.
Устройство работает следующим образом.
Во время работы двигателя Стирлинга температура нагревателя равна 500°С, а холодильника - 200°С. Рабочее тело с температурой 500°С через патрубок 2 проходит в насадке 5 между трубок 6, заполненными цинком (Zn). При этом цинк вначале нагревается от температуры 326°С, равной средней температуры между температурами плавления цинка (419,5°С) и олова (Sn) (231,7С), до температуры плавления цинка, затем происходит плавление цинка, далее расплавленный цинк нагревается до температуры 500°С. На выходе из насадка 5 температура рабочего тела снижается до 326°С. Далее рабочее тело с температурой 326°С проходит в насадке 4 между трубок 6, заполненными оловом (Sn). При этом олово вначале нагревается от температуры 200°С, до температуры плавления олова, затем происходит плавление олова, далее расплавленное олово нагревается до температуры 326°С.
Оценить эффективность предложенного технического решения по сравнению с прототипом можно следующим образом, рассмотрев характеристики материалов насадок 4 и 5 регенератора. Приведенная теплоемкость насадка 5 в диапазоне температур 500°С - 326°С находится по формуле:
- удельная теплоемкость никеля,
где d=0,1 см - диаметр трубки, δ=0,005 см, 
- длина трубки, p=9,8 г/см3 - удельная плотность никеля, 
- удельная теплота плавления цинка,
- удельная теплоемкость жидкой фазы цинка, 
Дж/г к - удельная теплоемкость твердой фазы цинка,
- удельная плотность цинка,
mΣ1=mNi+mZn, где mNi, mZn и mSn - масса соответственно никеля, цинка и олова на участке трубки длинной 
Приведенная теплоемкость насадка (4) в диапазоне температур 326°С - 200°С находится по формуле:
- удельная теплота плавления олова,
- удельная теплоемкость жидкой фазы олова,
- удельная теплоемкость твердой фазы олова,
где pSn=7,1 г/см3 - удельная плотность олова,
mΣ2=mNi+mSn.
В связи с тем, что в момент фазового перехода из твердой фазы в жидкую фазу происходит объемное расширение цинка 
а олова - 0,034, то в целях уменьшения напряжения на стенке трубки (6) она выполнен в форме овала, изогнута в виде спирали, при этом большая ось f-f овала ориентирована в направлении оси g-g спирали.
Таким образом, применение в качестве насадка 5 трубок 6, заполненными цинком (Zn) вместо проволоки диаметром 1 мм, позволяет снизить потери регенератора из-за недорекуперации в 
раз, а насадка 4, заполненного оловом (Sn), соответственно в 
раз, где θ1 и θ2 - коэффициенты эффективности соответственно насадок 5 и 4, что привело к повышению эффективности работы двигателя Стирлинга.
Комбинированный регенеративный теплообменник двигателя Стирлинга, содержащий теплоизоляционный корпус с двумя патрубками, подключенными соответственно к нагревателю и холодильнику, и находящиеся внутри корпуса по меньшей мере два насадка, последовательно расположенные между патрубками, отличающийся тем, что каждый насадок выполнен в виде трубки с герметично закрытыми концами, при этом внутри каждой трубки содержится наполнитель, при этом температура плавления наполнителя каждого насадка соответственно возрастает в направлении от патрубка холодильника к патрубку нагревателя, поперечный профиль стенки каждой трубки выполнен в форме овала, каждая трубка изогнута в виде спирали, при этом большая ось овала ориентирована в направлении оси спирали.
