RU2801167C2

RU2801167C2 - Methods for increasing the efficiency of heat exchange processes in a stirling engine

Info

Publication number: RU2801167C2
Application number: RU2021136603A
Authority: RU
Inventors: Юрий Михайлович Горбачёв
Original assignee: Юрий Михайлович Горбачёв
Filing date: 2021-12-10
Publication date: 2023-08-02

Abstract

FIELD: engine building.

SUBSTANCE: method for increasing the efficiency of heat exchange processes in a Stirling engine consists of using a twisted shape of the tubes of the heater (11), cooler (18), preheater (16) and a cylindrical regenerator (17), including due to the finning of their inner surface in the condenser section; at the same time, to increase the efficiency of the regenerator, the coolant from the combustion chamber is supplied to the inlet of the regenerator (17), and the cooler to its outlet, using heat pipes. A variant of a method for increasing the efficiency of heat exchange processes in a Stirling engine is also disclosed.

EFFECT: increase of efficiency of the Stirling engine.

2 cl, 10 dwg

Description

Изобретение относится к области теплотехники и теплоэнергетики.The invention relates to the field of heat engineering and heat power engineering.

Изучая историю исследовательских работ, связанных с двигателем Стирлинга (ДС) - приходишь к неутешительному выводу - не скоро он завоюет широкое применение!Studying the history of research work related to the Stirling engine (DS) - you come to a disappointing conclusion - it will not soon gain widespread use!

Хотя работами занимаются многие страны и вкладывают миллионы долларов. Указанные исследования ДС ведутся не только на промышленных предприятиях, но и на многих инженерных факультетах университетов и в других академических институтах.Although many countries are engaged in the work and invest millions of dollars. These studies of DS are carried out not only at industrial enterprises, but also at many engineering faculties of universities and other academic institutions.

Решению проблем, связанных с энергетикой способствовал контакт между разработчиками ДС в США, Швеции, ФРГ, Великобритании, КНР и Японии. В США на эти работы выделено 120 млн. долл. В Великобритании Научно-исследовательский совет и Министерство промышленности заключили контракты, по меньшей мере, на 250000 фунтов стерлингов. Только на разработку одного японского проекта правительством предоставлено 3 милллиона долларов. Не менее 140 отдельных групп работают в этом направлении во всем мире, что эквивалентно полной занятости этой проблемой тысячи исследователей (1. с. 402-412).Contact between DS developers in the USA, Sweden, Germany, Great Britain, China and Japan contributed to the solution of problems related to energy. In the USA, $120 million has been allocated for this work. In the UK, the Research Council and the Ministry of Industry have signed contracts for at least £250,000. Only for the development of one Japanese project, the government provided 3 million dollars. At least 140 separate groups are working in this direction all over the world, which is equivalent to the full employment of a thousand researchers with this problem (1. p. 402-412).

К сожалению, нашей стране нечем похвастаться в разработке столь перспективного двигателя. По-видимому, скорее появится японский, чем «русский Стирлинг»?Unfortunately, our country has nothing to boast of in developing such a promising engine. Apparently, Japanese rather than "Russian Stirling" will appear?

Но, почему даже японцы не в состоянии довести свой ДС до совершенства, что мешает этому?But why even the Japanese are not able to bring their DS to perfection, what prevents this?

Всем известны достоинства ДС, но остановимся на его недостатках.Everyone knows the advantages of DS, but let's dwell on its shortcomings.

ДС был изобретен в 1816 г. и пользовался значительной популярностью до начала XX века. Только отсутствие в те годы подходящих конструкционных материалов затруднило его дальнейшее совершенствование. Так что же не позволило дальнейшему совершенствованию ДС?DS was invented in 1816 and enjoyed considerable popularity until the beginning of the 20th century. Only the lack of suitable structural materials in those years made it difficult to further improve it. So what did not allow further improvement of the DS?

Недостатки ДС:Disadvantages of DS:

1. Среднее давление в цилиндре ДС мощностью более 40 кВт, как правило, превышает 15 МПа при таких давлениях требуется весьма совершенная система уплотнений для предотвращения утечки рабочего тела в картер (проблема, особенно сложная при использовании гелия или водорода).1. The average pressure in the cylinder of a diesel engine with a power of more than 40 kW, as a rule, exceeds 15 MPa; at such pressures, a very perfect sealing system is required to prevent leakage of the working fluid into the crankcase (a problem that is especially difficult when using helium or hydrogen).

2. Элементом, ограничивающим долговечность двигателя, является система уплотнений.2. The element that limits the life of the engine is the sealing system.

3. Для ДС требуется система охлаждения почти вдвое большего объема, чем для сравнимых дизельного или бензинового двигателей.3. The DS requires a cooling system nearly twice as large as a comparable diesel or gasoline engine.

4. ДС более сложен, чем обычные тепловые двигатели.4. DS is more complex than conventional heat engines.

5. Стоимость изготовления ДС выше стоимости изготовления двигателя внутреннего сгорания (ДВС), однако стоимость его эксплуатации меньше.5. The cost of manufacturing DS is higher than the cost of manufacturing an internal combustion engine (ICE), but the cost of its operation is less.

6. С повышением температуры воздуха, поступающего в камеру сгорания, при постоянном коэффициенте избытка (α) содержание продуктов неполного сгорания (СО и СН) уменьшается, а концентрация NO возрастает (2. с. 127). КПД ДС также увеличивается с возрастанием температуры воздуха на входе в камеру сгорания. Уменьшение концентрации СО и СН объясняется улучшением условий сгорания в более горячем воздухе. Увеличение концентрации NO вызвано повышением максимальной температуры сгорания при неизменном коэффициенте избытка воздуха. Температура воздуха на входе в камеру сгорания в ДС достигает 600-800°С (2. с. 127).6. With an increase in the temperature of the air entering the combustion chamber, at a constant excess coefficient (α), the content of products of incomplete combustion (CO and CH) decreases, and the concentration of NO increases (2. p. 127). The efficiency of the DS also increases with increasing air temperature at the inlet to the combustion chamber. The decrease in the concentration of CO and CH is explained by the improvement of combustion conditions in hotter air. The increase in NO concentration is caused by an increase in the maximum combustion temperature at a constant excess air ratio. The air temperature at the inlet to the combustion chamber in the combustion chamber reaches 600-800°C (2. p. 127).

7. Непрерывное горение создает свои проблемы, поскольку материалы из которых изготовлены нагреватель и цилиндры, должны обладать повышенной термостойкостью, чтобы выдерживать постоянное воздействие высоких температур, в то время как в ДВС такие температуры возникают периодически и на короткое время (что является причиной недожога в ДВС). Поэтому температурно-напряженные детали ДС обычно изготовляют из дорогостоящих сортов высококачественной нержавеющей стали, с высоким содержанием кобальта. Кроме того, тепловая инерция конструкционных материалов затрудняет использование регулирования подвода энергии как единственного способа управления скоростью двигателя.7. Continuous combustion creates its own problems, since the materials from which the heater and cylinders are made must have increased thermal stability in order to withstand constant exposure to high temperatures, while in internal combustion engines such temperatures occur periodically and for a short time (which causes underburning in internal combustion engines ). Therefore, temperature-stressed DS parts are usually made from expensive grades of high-quality stainless steel with a high cobalt content. In addition, the thermal inertia of construction materials makes it difficult to use power input control as the only way to control motor speed.

С другой стороны, вероятность поломки увеличивается с повышением температуры конструкционных материалов. С ростом температуры источника тепла также повышается интенсивность просачивания водорода сквозь стенки трубок нагревателя, а при очень высоких температурах все рабочее тело улетучилось бы через несколько часов работы, если бы не было системы «подкачки» рабочего тела. При рабочей температуре в трубках выше 700°С температура горения должна быть около 2000°С. Это означает, что газы на выходе из нагревателя содержат большое количество энергии, которую необходимо использовать, и не только в предварительном подогревателе.On the other hand, the probability of breakage increases with the temperature of the structural materials. With an increase in the temperature of the heat source, the intensity of hydrogen seepage through the walls of the heater tubes also increases, and at very high temperatures, the entire working fluid would have evaporated after a few hours of operation if there were no working fluid “pumping” system. When the operating temperature in the tubes is above 700°C, the combustion temperature should be about 2000°C. This means that the gases leaving the heater contain a lot of energy that needs to be used, and not just in the preheater.

В основе работы ДС лежит термодинамический цикл - см. Фиг. 1. Этот цикл состоит из следующих процессов: сжатие по изотерме αс с отводом теплоты Q''₂; подвод теплоты Q'₁ при V=const; расширение по изотерме zb с подводом теплоты Q''₁; отвод теплоты Q'₂ при V=const.The operation of the DS is based on the thermodynamic cycle - see Fig. 1. This cycle consists of the following processes: compression along the isotherm αс with heat removal Q''₂; heat supply Q' ₁ at V=const; expansion along the isotherm zb with heat input Q''₁; heat removal Q' ₂ at V=const.

Изотермическое сжатие происходит при низкой температуре T₁ и сопровождается отводом теплоты Q'₂ (для обеспечения изотермичности процесса). Изотермическое расширение при высокой температуре T₁ происходит с подводом теплоты Q''₁ (для обеспечения изотермичности процесса). Так как в процессе bα рабочее тело охлаждается от температуры T₁ до температуры Т₂, а в процессе подвода теплоты cz нагревается от Т₂ до T₁ количество теплоты Q'₂ принципиально может быть регенерировано, т.е. Полезная работа цикла Стирлинга представляет собой разность работ: работы, полученной в процессе расширения, и работы, затраченной в процессе сжатия; эта разность эквивалентна площади αczbαIsothermal compression occurs at a low temperature T ₁ and is accompanied by heat removal Q' ₂ (to ensure the isothermal process). Isothermal expansion at high temperature T ₁ occurs with the supply of heat Q'' ₁ (to ensure the isothermal process). Since in the process bα the working fluid is cooled from temperature T ₁ to temperature T ₂ , and in the process of heat supply cz it is heated from T ₂ to T _1, the amount of heat Q' ₂ can in principle be regenerated, i.e. The useful work of the Stirling cycle is the difference between the work: the work obtained in the expansion process and the work expended in the compression process; this difference is equivalent to the area αczbα

ДС работает по замкнутому циклу, поэтому его термодинамический цикл более точно отражает сущность рабочего цикла двигателя, чем термодинамический цикл двигателя внутреннего сгорания (ДВС) его работу.DS works in a closed cycle, so its thermodynamic cycle more accurately reflects the essence of the engine operating cycle than the thermodynamic cycle of an internal combustion engine (ICE) its work.

В модифицированной конструкции ДС холодное рабочее тело сжимается рабочим поршнем 7, движущимся влево (Фиг. 2, а), а вытеснительный поршень 9 в это время остается неподвижным. Затем вытеснительный поршень при неподвижном рабочем поршне начинает двигаться вправо, переталкивая газ в горячую полость над вытеснительным поршнем через нагреватель «н» (Фиг. 2, б). При расширении нагретого газа рабочий и вытеснительный поршни движутся вместе вправо (Фиг. 2, в), причем работу совершает только рабочий поршень, так как давление газа с обеих сторон вытеснительного поршня приблизительно одинаково. Когда вытеснительный поршень при неподвижном рабочем поршне возвращается влево, перемещая газ в холодную полость под вытеснительным поршнем через охладитель «о», происходит отдача теплоты холодному источнику - Фиг. 2, г.In the modified DS design, the cold working fluid is compressed by the working piston 7 moving to the left (Fig. 2, a), while the displacement piston 9 remains stationary at this time. Then the displacement piston, with the working piston stationary, begins to move to the right, pushing the gas into the hot cavity above the displacement piston through the heater "n" (Fig. 2, b). When the heated gas expands, the working and displacing pistons move together to the right (Fig. 2, c), and only the working piston does the work, since the gas pressure on both sides of the displacing piston is approximately the same. When the displacing piston returns to the left while the working piston is stationary, moving the gas into the cold cavity under the displacing piston through the cooler "o", heat is transferred to the cold source - Fig. 2, Mr.

Заострим внимание на недостатках номер три - семь.Let's focus on the shortcomings number three - seven.

В заявке за 2008 год и в патенте за 2010 год автор предлагал для устранения этих недостатков использовать витую форму трубок нагревателя и холодильника, что позволяет увеличить теплообмен почти в десять раз и сократить массу аппарата на 25-50% (Патент №2406853),In the application for 2008 and in the patent for 2010, the author proposed to eliminate these shortcomings by using the twisted shape of the heater and refrigerator tubes, which makes it possible to increase heat transfer by almost ten times and reduce the weight of the apparatus by 25-50% (Patent No. 2406853),

А нет ли возможности еще более - во много раз увеличить теплообменные процессы в ДС?But isn't it possible to increase even more - many times over the heat exchange processes in the DS?

Известно, что в ДС температура газа изменяется по адиабатному, а не по изотермическому закону, и это влияет на форму р - V диаграмму. Действительно, стенки цилиндра не являются средой достаточно высокой теплопроводности, чтобы обеспечить постоянство температуры газа в цилиндре, и даже применение трубчатых теплообменников не дает возможности получить изотермические условия во входном и выходном сечениях регенератора. Отклонение от утопических изотермических условий сильнее выражено в горячей части диаметра по сравнению с холодной, см. Фиг. 3, где идеальный цикл Стирлинга - 34-35-36-37 вследствие теплообмена в нагревателе и холодильнике превращается в цикл 34'-35'-36'-37' (1. с. 241-242).It is known that in a DS the gas temperature changes according to the adiabatic, and not according to the isothermal law, and this affects the shape of the p-V diagram. Indeed, the cylinder walls are not a medium of sufficiently high thermal conductivity to ensure the constancy of the gas temperature in the cylinder, and even the use of tubular heat exchangers does not make it possible to obtain isothermal conditions in the inlet and outlet sections of the regenerator. The deviation from utopian isothermal conditions is more pronounced in the hot part of the diameter compared to the cold part, see Fig. 3, where the ideal Stirling cycle - 34-35-36-37 due to heat exchange in the heater and refrigerator turns into a cycle 34'-35'-36'-37' (1. p. 241-242).

Если пренебречь влиянием трубчатых теплообмеников и рассмотреть двигатель в его идеальной форме, когда теплопередача в основном осуществляется сквозь стенки цилиндра, можно определить влияние работы регенератора. Регенератор должен воспринимать тепловую нагрузку, в 4-5 раз превосходящую тепловую нагрузку нагревателя, и если он не справляется с ней, то на остальные теплообменники будут воздействовать избыточные нагрузки. Если КПД двигателя должен достигать высоких значений, регенератор должен быть, возможно, более близок к идеальному, а это означает, что газ должен поступать из регенератора в холодную часть двигателя как можно с меньшей температурой, а к горячей части с максимально возможной температурой. Если такие температуры не достигаются, то температура, а следовательно, и давление холодного газа будут повышенными, в то время как давление и температура горячего газа - пониженными - Фиг. 4, и вследствие недостаточной эффективности регенератора газ в начале фазы сжатия цикла будет в состоянии 34', а не 34, а в конце фазы расширения - в состоянии 36', а не 36 (1. с. 242-243).If we neglect the influence of tubular heat exchangers and consider the engine in its ideal form, when heat transfer is mainly carried out through the walls of the cylinder, it is possible to determine the effect of the operation of the regenerator. The regenerator must absorb a heat load 4-5 times greater than the heat load of the heater, and if it cannot cope with it, then the other heat exchangers will be affected by excessive loads. If the efficiency of the engine is to reach high values, the regenerator should be as close to ideal as possible, which means that the gas should flow from the regenerator to the cold part of the engine at as low a temperature as possible, and to the hot part at the highest possible temperature. If such temperatures are not reached, then the temperature and, consequently, the pressure of the cold gas will be increased, while the pressure and temperature of the hot gas will be reduced - Fig. 4, and due to the insufficient efficiency of the regenerator, the gas at the beginning of the compression phase of the cycle will be in the 34' state, and not 34, and at the end of the expansion phase, in the 36' state, and not 36 (1. p. 242-243).

Наличие мертвого объема вызывает снижение полезной работы. Это обусловлено его влиянием на давление цикла. Для идеального термодинамического цикла предполагается, что во время расширения и сжатия весь газ находится на горячей или холодной стороне соответственно - Фиг. 5, 34-35-36-37. Однако пери наличии мертвого объема - это недостижимо, так как в реальном ДС в «горячей» фазе рабочего цикла часть газа находится в холодных полостях двигателя и общее давление снизится и, наоборот, в «холодной» фазе общее давление возрастет - Фиг. 5, 34', 35', 36', 37'.The presence of dead volume causes a decrease in useful work. This is due to its effect on cycle pressure. For an ideal thermodynamic cycle, it is assumed that during expansion and contraction all the gas is on the hot or cold side, respectively - FIG. 5, 34-35-36-37. However, if there is a dead volume, this is unattainable, since in a real DS in the "hot" phase of the working cycle, part of the gas is in the cold cavities of the engine and the total pressure will decrease and, conversely, in the "cold" phase, the total pressure will increase - Fig. 5, 34', 35', 36', 37'.

Эффективные теплообменные устройства имеют решающее значение для успешной работы любого ДС, поскольку даже при совершенной конструкции двигателя, с точки зрения термодинамики и механики, работа всей системы будет неудовлетворительной, если неудовлетворительна работа теплообменника.Efficient heat exchange devices are critical to the successful operation of any DS, because even with a perfect engine design, from the point of view of thermodynamics and mechanics, the operation of the entire system will be unsatisfactory if the heat exchanger is unsatisfactory.

До сих пор теоретики теплообмена и конструкторы не имели достаточных оснований сфокусировать свое внимание на устройствах, необходимых для ДС, кроме регенератора.Until now, heat transfer theorists and designers have not had sufficient grounds to focus their attention on the devices required for DS, except for the regenerator.

Такой теплообменник, как нагреватель, трудно рассчитать, следовательно, сконструировать, поскольку нужно одновременно удовлетворять требованиям для внутренней и наружной поверхностей трубки, а они, как правило, различны, конструкция зависит от выбора источника энергии. Наружная поверхность трубки работает обычно в условиях установившегося течения низкого давления и высокой температуры, из-за чего в материале могут возникнуть достаточно напряженные условия, если при его изготовлении используется, например углеводород с высоким содержанием серы. На внутреннюю поверхность трубки воздействует существенно нестационарное течение с высоким давлением и высокой температуры. Коэффициенты теплоотдачи на внутренней и наружной поверхностях трубки будут резко отличаться по своей величине, и поэтому требования к площади теплообменной поверхности практически всегда будут различными. Имеется еще два ограничения, поскольку отношение внутреннего диаметра к наружному определяется как силовыми, так и тепловыми нагрузками и оптимальное отношение диаметров может не соответствовать требованиям, предъявляемым к площади теплообменной поверхности.Such a heat exchanger as a heater is difficult to calculate, therefore, to design, since it is necessary to simultaneously satisfy the requirements for the inner and outer surfaces of the tube, and they are usually different, the design depends on the choice of energy source. The outer surface of the tube typically operates under steady flow conditions of low pressure and high temperature, due to which quite stressful conditions can occur in the material if, for example, a hydrocarbon with a high sulfur content is used in its manufacture. The inner surface of the tube is exposed to a substantially unsteady flow of high pressure and high temperature. The heat transfer coefficients on the inner and outer surfaces of the tube will differ sharply in their value, and therefore the requirements for the area of the heat exchange surface will almost always be different. There are two more limitations, since the ratio of the inner diameter to the outer diameter is determined by both power and thermal loads, and the optimal diameter ratio may not meet the requirements for the heat exchange surface area.

Надежность ДС, как и любой машины, определяется надежностью наиболее слабого звена. В ДС таким звеном являются трубки нагревателя.The reliability of a DC, like any machine, is determined by the reliability of the weakest link. In DS, such a link is the heater tubes.

Условия работы последних характеризуются средней температурой стенки трубки 700-750°С и средним давлением внутри нее 100-300 кгс/см² при циклических теплосменах (2. с. 107).The working conditions of the latter are characterized by an average tube wall temperature of 700-750°C and an average pressure inside it of 100-300 kgf/cm ² during cyclic thermal cycles (2. p. 107).

Изготовление трубчатых теплообменников и, в частности, нагревателя ДС является трудоемким и дорогостоящим производственным процессом, требующим больших затрат ручного труда.The manufacture of tubular heat exchangers and, in particular, a DS heater is a labor-intensive and expensive manufacturing process that requires a lot of manual labor.

На этом остановлюсь перечислять трудности, связанные с теплообменом. В общем, до настоящего времени не получено полного аналитического решения для теплообмена при вынужденной конвекции в условиях турбулентного течения (1. с. 248)At this point I will stop listing the difficulties associated with heat transfer. In general, a complete analytical solution for heat transfer under forced convection under conditions of turbulent flow has not yet been obtained (1. p. 248)

Холодильник: Относительно теплоотдачи на внутренней поверхности этого теплообменного устройства можно сделать такие же замечания, как и для нагревателя, поскольку достигаются примерно одинаковые условия течения, хотя в виду более низких температур во всех случаях, кроме некоторых исключений, внешнюю поверхность трубок холодильника всех двигателей омывает охлаждающая вода.Refrigerator: With regard to heat transfer on the inner surface of this heat exchanger, the same remarks can be made as for the heater, since approximately the same flow conditions are achieved, although in view of the lower temperatures, in all cases, except for some exceptions, the outer surface of the refrigerator tubes of all engines is washed by a cooling water.

Для теплового ДС имеет особое значение интенсификация теплообмена в нагревателе и холодильнике. Как известно, искусственная турбулизация потока жидкости позволяет повысить эффективность обмена тепла между средами.For thermal DS, the intensification of heat transfer in the heater and refrigerator is of particular importance. As is known, artificial turbulence of a liquid flow makes it possible to increase the efficiency of heat exchange between media.

В Московском авиационном институте зарегистрировано открытие в 1981 г. под №242, которое помогло сконструировать высокоэффективные теплообменные поверхности, которые должны иметь витую форму. Было установлено, что оптимальный шаг закрутки витой трубы должен быть в 6-12 раз больше ее диаметра (3. с. 31-33).The Moscow Aviation Institute registered a discovery in 1981 under No. 242, which helped to design highly efficient heat exchange surfaces, which should have a twisted shape. It was found that the optimal twist pitch of a twisted pipe should be 6-12 times its diameter (3. p. 31-33).

При продольном обтекании витой трубы образуется вихрь, подобный смерчу, мощность которого растет с уменьшением шага закрутки трубы. Поперечное перемешивание потока и интенсивность теплообмена тем выше, чем сильнее взаимодействие вихрей, а оно максимально, если трубы соприкасаются. Плотная упаковка решает задачу по обеспечению вибропрочности аппарата. В аппарате новой конструкции перемешивание потока в межтрубном пространстве в 10 интенсивнее, чем в теплообменнике с круглыми трубами.With a longitudinal flow around a twisted pipe, a vortex is formed, similar to a tornado, the power of which increases with a decrease in the pitch of the pipe twist. The transverse mixing of the flow and the intensity of heat transfer are the higher, the stronger the interaction of the vortices, and it is maximum if the pipes are in contact. Dense packing solves the problem of ensuring the vibration resistance of the apparatus. In the apparatus of a new design, the mixing of the flow in the annular space is 10 times more intense than in a heat exchanger with round tubes.

При замене круглых труб витыми трубами достигается интенсификация теплообмена и внутри труб, и в межтрубном пространстве, что позволяет на 25-50% снизить массу и объем аппарата при тех же затратах энергии на прокачку теплоносителя. Гидравлическое сопротивление потоку при перекрестном расположении труб даже снижается, так как в таком аппарате уменьшается доля объема, занятого трубами, и соответственно увеличивается пространство, в котором движется теплоноситель.When replacing round pipes with twisted pipes, heat transfer is intensified both inside the pipes and in the annular space, which makes it possible to reduce the mass and volume of the apparatus by 25-50% at the same energy costs for pumping the coolant. The hydraulic resistance to flow in the case of a cross arrangement of pipes even decreases, since in such an apparatus the proportion of the volume occupied by the pipes decreases, and, accordingly, the space in which the coolant moves increases.

Замена круглых труб витыми трубами не усложняет производство теплообменников, так как изготовление витых труб производится за одну операцию - протягиванием круглых труб через фильеру.Replacing round pipes with twisted pipes does not complicate the production of heat exchangers, since the manufacture of twisted pipes is carried out in one operation - by pulling round pipes through a spinneret.

Предлагается использовать витую форму труб при изготовлении нагревателя, холодильника и предварительного нагревателя, что позволит сократить количество трубок в теплообменных аппаратах, объем ДС, увеличить теплообмен в десять раз см. Фиг. 6:1 - картер; 2 и 25 - шатуны; 3 и 26 - кривошипы коленчатых валов; 4 и 27 - противовесы коленчатых валов; 5 - синхронизирующая шестерня; буферная полость; 7 - рабочий поршень; 8 - холодная полость; 9 - вытеснительный поршень; 10 - канал подвода воздуха в камеру сгорания; 11 - нагреватель; 12 - камера сгорания; 13 - кольцевая полость; 14 - форсунка; 15 - канал отвода продуктов сгорания; 16 - воздухоподогреватель; 17 - регенератор; 18 - холодильник; 19 - водяная рубашка охладителя; 20 - цилиндр; 21 - свертывающееся диафрагменное уплотнение; 22 - шток рабочего поршня; 23 - шток вытеснительного поршня; 24 - траверсы рабочего поршня; 28 - траверса вытеснительного поршня; 29 - палец шатуна.It is proposed to use a twisted shape of pipes in the manufacture of a heater, a refrigerator and a preheater, which will reduce the number of tubes in heat exchangers, the volume of DS, and increase heat transfer tenfold, see Fig. 6:1 - crankcase; 2 and 25 - connecting rods; 3 and 26 - crankshafts; 4 and 27 - crankshaft counterweights; 5 - synchronizing gear; buffer cavity; 7 - working piston; 8 - cold cavity; 9 - displacement piston; 10 - channel for supplying air to the combustion chamber; 11 - heater; 12 - combustion chamber; 13 - annular cavity; 14 - nozzle; 15 - channel for removal of combustion products; 16 - air heater; 17 - regenerator; 18 - refrigerator; 19 - cooler water jacket; 20 - cylinder; 21 - rolling diaphragm seal; 22 - rod of the working piston; 23 - displacement piston rod; 24 - traverses of the working piston; 28 - traverse of the displacement piston; 29 - connecting rod finger.

Сегодня, чтобы температура в трубках была выше 700°С, в камере сгорания необходимо держать сумасшедшую температуру - 2000°С – и цилиндр, полностью обвитый трубкам см. Фиг. 7. Благодаря витой форме трубок и увеличению теплообменных процессов, нет необходимости держать такую температуру, а это значит - экономия топлива будет происходить не только за счет регенератора. А работа всех металлических деталей при меньшей температуре будет происходить в более благоприятных условиях: так как непрерывное горение создает проблемы, поскольку материалы, из которых изготовлены нагреватель и цилиндр - это высококачественная нержавеющая сталь, с высоким содержанием кобальта.Today, in order for the temperature in the tubes to be above 700°C, it is necessary to keep a crazy temperature in the combustion chamber - 2000°C - and the cylinder, completely wrapped in tubes, see Fig. 7. Due to the twisted shape of the tubes and the increase in heat exchange processes, there is no need to maintain such a temperature, which means that fuel savings will occur not only due to the regenerator. And the operation of all metal parts at a lower temperature will occur in more favorable conditions: since continuous combustion creates problems, since the materials from which the heater and cylinder are made are high-quality stainless steel, with a high cobalt content.

Витая форма позволит удешевить изготовление самого ДС. При более низких температурах и особенно более низкой температуры Т₂ возможно будет снизить давление в цилиндре, а значит сократиться и утечка рабочего тела - водорода, гелия. А если это будет воздух, КПД двигателя, не будет таким малым, какой он сегодня, когда трубы круглой формы. При меньшей температуре камеры сгорания, сократится количество газа на выходе из нагревателя, которые содержат большое количество энергии, которую необходимо использовать, и не только в предварительном подогревателе.The twisted shape will make it possible to reduce the cost of manufacturing the DC itself. At lower temperatures and especially lower temperature T ₂ it will be possible to reduce the pressure in the cylinder, which means that the leakage of the working fluid - hydrogen, helium - will also be reduced. And if it is air, the efficiency of the engine will not be as low as it is today, when the pipes are round. With a lower combustion chamber temperature, there will be less gas at the outlet of the heater, which contains a large amount of energy that must be used, and not only in the preheater.

Увеличение термического КПД возможно при повышении температуры T₁ цикла или понижении температуры Т₂, то есть при увеличении разности температур Т₁ - Т₂. (4. с. 44,45)An increase in thermal efficiency is possible with an increase in temperature T ₁ cycle or a decrease in temperature T ₂ , that is, with an increase in the temperature difference T ₁ - T ₂ . (4. p. 44,45)

Еще одно достоинство, которое касается температуры холодильника: она ограничена практически доступными источниками охлаждения - водой, атмосферным воздухом. Из Теплотехники следует: «что для повышения КПД значение температуры Т₂ важнее. Действительно, ∂ηк/∂Т₂=1/T₁, в то время как ∂ηк/Т1=Т2/Т1². Следовательно.Another advantage that concerns the temperature of the refrigerator: it is limited by practically available sources of cooling - water, atmospheric air. It follows from Heat Engineering: “that the value of temperature T ₂ is more important for increasing the efficiency. Indeed, ∂ηк/∂Т ₂ =1/T ₁ , while ∂ηк/Т1=Т2/Т1 ² . Hence.

Где T₁ > Т₂. Знак минус здесь - результат противоположного влияния изменения T₁ и Т₂.»Where T ₁ > T ₂ . The minus sign here is the result of the opposite effect of changing T ₁ and T ₂ .

В ДС часть теплоты, преобразуемой в индикаторную работу двигателя, расходуется на привод вспомогательных механизмов. Эта затрата теплоты обычно больше, чем в ДВС, из-за подачи большого количества воздуха в камеру сгорания и большого расхода охлаждающей жидкости - для ДС. О другой особенности ДС уже упоминалось - большой отвод тепла в окружающее пространство из-за чего тепловой двигатель, работающий по замкнутому циклу, как раз и требует радиатор в 2,5 раза больший, чем у ДВС.In DS, part of the heat converted into the indicator work of the engine is spent on the drive of auxiliary mechanisms. This heat consumption is usually greater than in an internal combustion engine, due to the supply of a large amount of air to the combustion chamber and the high consumption of coolant for diesel engines. Another feature of the DS has already been mentioned - a large heat removal to the surrounding space, which is why a heat engine operating in a closed cycle requires a radiator 2.5 times larger than that of an internal combustion engine.

Если и в холодильнике круглые трубы заменить на трубы витой формы, благодаря этому отвод тепла увеличится в десять раз, а температура Т₂ уменьшится, что будет способствовать увеличению КПД. Зато, в этом случае, более охлажденное рабочее тело на выходе из регенератора в цилиндр будет иметь пониженную температуру, что снизит эффект регенератора, поэтому температуру в холодильнике необходимо будет регулировать.If round pipes in the refrigerator are also replaced with twisted pipes, due to this, heat removal will increase tenfold, and the temperature T ₂ will decrease, which will increase efficiency. On the other hand, in this case, a cooler working fluid at the exit from the regenerator to the cylinder will have a lower temperature, which will reduce the effect of the regenerator, so the temperature in the refrigerator will need to be regulated.

При уменьшении температуры холодного источника Т₂ термический КПД цикла повышается тем значительнее, чем выше КПД регенератора и ниже температура T₁. Со снижением степени сжатия ε от 1,5 до 1,3 уменьшается термический КПД цикла наиболее сильно при малых КПД регенератора и высоких температурах горячего источника.When the temperature of the cold source T ₂ decreases, the thermal efficiency of the cycle increases the more significantly, the higher the efficiency of the regenerator and the lower the temperature T ₁ . With a decrease in the compression ratio ε from 1.5 to 1.3, the thermal efficiency of the cycle decreases most strongly at low regenerator efficiency and high temperatures of the hot source.

Сравним цикл Стирлинга и цикл Карно. При осуществлении циклов в одинаковом интервале температур, при одинаковом начальном состоянии рабочего тела (в точке α, Фиг. 8) и равенстве работ цикл Карно (α с z'' b'' α) должен иметь значительно более высокую степень сжатия.Let's compare the Stirling cycle and the Carnot cycle. When performing cycles in the same temperature range, with the same initial state of the working fluid (at point α, Fig. 8) and equality of work, the Carnot cycle (α with z'' b'' α) should have a significantly higher compression ratio.

Цикл Карно при этих условиях характеризуется степенью сжатияThe Carnot cycle under these conditions is characterized by the degree of compression

εk=Vα/Vz''=(Vα/Vc) (Vc/Vz'')=εεад,εk=Vα/Vz''=(Vα/Vc) (Vc/Vz'')=εεad,

где εад - степень сжатия в адиабатном процессе cz''.where εad is the degree of compression in the adiabatic process cz''.

При повышении температуры рабочего тела Т₂ от 333 К до 973 К и k=1,4 степень адиабатического сжатияWith an increase in the temperature of the working fluid T ₂ from 333 K to 973 K and k = 1.4, the degree of adiabatic compression

Такое увеличение сжатия приводит к повышению максимального давления в цикле Карно по сравнению с циклом Стирлинга.This increase in compression leads to an increase in the maximum pressure in the Carnot cycle compared to the Stirling cycle.

Возможность получения высокого термического КПД цикла Стирлинга при малом значении степени сжатия облегчает задачу создания таких двигателей, так как в реальных двигателях Стирлинга объем камеры сжатия весьма значителен по той причине, что он включает в себя также объемы соединительных каналов и свободные объемы регенератора, нагревателя и охладителя. Поэтому в современном двигателе Стирлинга пока невозможно обеспечить высокую степень сжатия (1. с. 12-14). Чтобы устранить эти недостатки и предлагается использовать витую форму трубок нагревателя - 11 - Фиг. 6 и холодильника 18 предлагаемого ДС, по сравнению с существующим - Фиг. 7, что как раз и позволит увеличить теплообмен почти в десять раз и в то время сократить массу аппаратов на 25-50%. А если придать цилиндрическую витую форму и регенератору Фиг. 9, 17 и внутренне оребрение его - это поможет еще больше сократить объемы камеры сжатия, по сравнению с существующим - Фиг. 10.The possibility of obtaining a high thermal efficiency of the Stirling cycle at a low compression ratio makes it easier to create such engines, since in real Stirling engines the volume of the compression chamber is very significant for the reason that it also includes the volumes of the connecting channels and the free volumes of the regenerator, heater and cooler . Therefore, in a modern Stirling engine, it is not yet possible to provide a high compression ratio (1. p. 12-14). To eliminate these shortcomings, it is proposed to use the twisted shape of the heater tubes - 11 - Fig. 6 and the refrigerator 18 of the proposed DS, in comparison with the existing one - Fig. 7, which will make it possible to increase heat transfer by almost ten times and at the same time reduce the weight of the apparatus by 25-50%. And if you give a cylindrical twisted shape and the regenerator Fig. 9, 17 and its internal finning - this will help to further reduce the volume of the compression chamber, compared to the existing one - Fig. 10.

Для увеличения КПД ДС необходимо стремиться к росту КПД регенератора, который действует, как тепловой аккумулятор (ТА), то принимая - то отдавая теплоту рабочему телу. Имея, как правило, избыток у ДС тепловых вторичных энергетических ресурсов (ВЭР) предлагается теплоноситель подводить на вход регенератора, с помощью тепловых труб (ТТ) (Патент №2406853. с. 4., абзац 5, с. 6, абзац 4). В этом случае температура регенератора, будет приближаться по своей величине к температуре, которая находится в верхней части цилиндра. Это будет облегчать и ускорять нагрев рабочего тела после холодильника, а значит и способствовать увеличению термического КПД цикла Стирлинга и даже позволит сократить массу насадки («галет», которые заполняют регенератор и которые принимают и хранят тепло). Материалом для галет служит «путанка» из дорогой металлической сетки - хромо-никелиевой, нержавеющей стали, никелиевой, вольфрамовой, молибденовой, металлокерамической (2. с. 6- 10; 1. с. 246-247, 251 - 261; 5. с. 27 - 28).To increase the efficiency of the DS, it is necessary to strive to increase the efficiency of the regenerator, which acts as a heat accumulator (TA), either accepting or releasing heat to the working fluid. Having, as a rule, an excess of thermal secondary energy resources (SER) at the DS, it is proposed to supply the coolant to the inlet of the regenerator using heat pipes (HP) (Patent No. 2406853. p. 4., paragraph 5, p. 6, paragraph 4). In this case, the temperature of the regenerator will approach in its value the temperature that is in the upper part of the cylinder. This will facilitate and accelerate the heating of the working fluid after the cooler, and hence help to increase the thermal efficiency of the Stirling cycle and even reduce the weight of the packing (“biscuits” that fill the regenerator and which receive and store heat). The material for the biscuits is a "tangle" of expensive metal mesh - chromium-nickel, stainless steel, nickel, tungsten, molybdenum, cermet (2. p. 6-10; 1. p. 246-247, 251 - 261; 5. p. .27 - 28).

Так как ДС обратимая машина: получая тепло - он вращает приводной механизм, если его вращать, например электродвигателем - он вырабатывает холод.Since the DC is a reversible machine: receiving heat, it rotates the drive mechanism, if it is rotated, for example, by an electric motor, it produces cold.

Предлагается, использовать вспомогательный ДС, работающий в режиме холодильной машины - ДхС - обратный цикл Стирлинга и находящийся на общем валу, а значит, отбирает часть мощности, между главным ДС и генератором и будет служить для охлаждения главного ДС, генератора и кондиционирования салона, например, для автомобиля.It is proposed to use an auxiliary DS operating in the refrigerating machine mode - DxS - the reverse Stirling cycle and located on a common shaft, which means it takes part of the power between the main DS and the generator and will serve to cool the main DS, generator and cabin air conditioning, for example, for auto.

Другой вариант - вспомогательный универсальный ДС - ДуС - ДС, имеющий собственную камеру сгорания и способный принять теплоноситель от постороннего источника, работающий в режиме пускового устройста, после запуска главного двигателя ДВС или ДС переводится на прием теплоносителя от «постороннего» источника - ДпС, используя отработанные газы главного двигателя или камеры сгорания ДС, а не теряя их впустую, как это делается сегодня и которых избыток, вращает не только генератор, но и собственный вспомогательный ДхС, который находится на одном валу с ДуС и работает в режиме холодильной машины. В этом случае можно обойтись только одним ДхС, установленным именно на ДуС. В этом случае нет отбора мощности с вала главного двигателя для систем охлаждения, а генератор ДуС обеспечивает бортовое питание, а значит, послужит увеличению КПД ДС.Another option is an auxiliary universal DS - DS - DS, which has its own combustion chamber and is capable of receiving coolant from an external source, operating in the starting device mode, after starting the main engine of the ICE or DS, it is transferred to receive coolant from an "foreign" source - DPS, using spent gases of the main engine or the combustion chamber of the DS, and not wasting them, as is done today and which are in excess, rotates not only the generator, but also its own auxiliary DXS, which is located on the same shaft with the DS and operates in the refrigerating machine mode. In this case, you can get by with only one DxS installed specifically on the DSS. In this case, there is no power take-off from the main engine shaft for cooling systems, and the DS generator provides on-board power, which means it will serve to increase the DS efficiency.

Учитывая пользу от снижения температуры Т2, если она будет в холодильнике не 20°С, а гораздо ниже - при использовании различных ВЭР, есть возможность раздвинуть интервал температур используемых теплоносителей, будут пригодными даже низко-потенциальные тепловые вторичные энергетические ресурсы (ВЭР), а нижнюю часть интервала перевести в область более низких температур, что важно для увеличения КПД. Воздух более доступный материал, чем вода. В этом случае не только не будем зависеть от системы водяного охлаждения, но еще будем экономить водные ресурсы.Taking into account the benefit of lowering the temperature T2, if it is not 20 ° C in the refrigerator, but much lower - when using various HERs, it is possible to expand the temperature range of the heat carriers used, even low-potential thermal secondary energy resources (SERs) will be suitable, and the lower transfer part of the interval to the region of lower temperatures, which is important for increasing the efficiency. Air is a more accessible material than water. In this case, not only will we not depend on the water cooling system, but we will also save water resources.

Существует и другой способ повышения эффективности теплоотдачи -оребрение труб - оно позволяет увеличивать площадь не более 2,5 - 3,5 раза, но стоимость этих работ велика (6.) И если будет сокращение массы теплообменного аппарата, благодаря витой формы труб на 25 - 50% стоимостью оребрения можно пренебречь.There is another way to improve the efficiency of heat transfer - finned pipes - it allows you to increase the area no more than 2.5 - 3.5 times, but the cost of these works is high (6.) And if there is a reduction in the mass of the heat exchanger, due to the twisted shape of the pipes by 25 - 50% cost of fins can be neglected.

Оказывается теплообмен в трубах витой формы можно еще больше увеличить. Предлагается увеличить теплообмен в 2 - 3 раза в трубах витой формы за счет оребрения их внутренней поверхности на конденсаторном участке (коэффициент оребрения 1, 64), не только трубок нагревателя, охладителя, предварительного нагревателя, но и регенератора, придав ему круглую - цилиндрическую форму, снабдив оребрением его внутренние поверхности (6. с. 88).It turns out that heat transfer in twisted pipes can be increased even more. It is proposed to increase heat transfer by 2 - 3 times in twisted pipes due to finning of their inner surface in the condenser section (finning coefficient 1.64), not only of the heater, cooler, preheater tubes, but also of the regenerator, giving it a round - cylindrical shape, having provided its inner surfaces with ribs (6. p. 88).

Витая форма, оребрение не решают всех проблем, связанных с теплообменными процессами, самыми важными для эффективной работы ДС.И вообще, процессы тепло- и массообмена сложны по своей природе. Они связаны с конвективной (молярной) и молекулярной диффузией и определяются законами аэродинамики и газодинамики, термодинамики, передачи энергии в форме теплоты, передачи лучистой энергии и превращением ее в теплоту и наоборот.Twisted form, ribs do not solve all the problems associated with heat transfer processes, the most important for the efficient operation of the DS. In general, the processes of heat and mass transfer are complex in nature. They are associated with convective (molar) and molecular diffusion and are determined by the laws of aerodynamics and gas dynamics, thermodynamics, energy transfer in the form of heat, transfer of radiant energy and its transformation into heat and vice versa.

Насколько велики и сложны расчеты, уравнения теплопроводности плоской, цилиндрической, ребристой стенок, при стационарном, нестационарном режимах и т.д.(4. с. 161 - 227).How large and complex are the calculations, the heat conduction equations for flat, cylindrical, ribbed walls, in stationary, non-stationary modes, etc. (4. p. 161 - 227).

Каким образом не только упростить эти расчеты, но еще больше усилить теплообменные процессы - не в разы, а в сотни и даже тысячи раз? Только в этом случае можно получить по-настоящему эффективную работу теплообменных аппаратов ДС, а также ДВС и других теплообменных устройств.How not only to simplify these calculations, but to further enhance the heat exchange processes - not at times, but hundreds and even thousands of times? Only in this case it is possible to obtain a truly efficient operation of DS heat exchangers, as well as ICEs and other heat exchangers.

Почему при существующей конструкции ДС неэффективна работа его нагревателя? Причина в том, что подвод тепла происходит не внутрь цилиндра, а снаружи, что создает массу проблем - это же примитивная технология. Что можно предложить в этом случае?Why is the operation of its heater inefficient with the existing design of the DS? The reason is that heat is supplied not inside the cylinder, but outside, which creates a lot of problems - this is a primitive technology. What can be suggested in this case?

Многих ученных привлекает явление сверхпроводимости, когда некоторые материалы обладают строго нулевым электрическим сопротивлением.Many scientists are attracted by the phenomenon of superconductivity, when some materials have strictly zero electrical resistance.

А есть ли похожее явление, но в отношении сверхпроводимости теплового потока?Is there a similar phenomenon, but in relation to the superconductivity of the heat flow?

Аналог, наиболее близкий к изобретению - тепловые трубы (ТТ) пекарни. Оказывается, еще в начале XIX века специалисты из народа не только придумали, но и применили это явление. Оказывается, что ТТ применялись тогда в хлебопекарных печах - тепло из запыленной кочегарки через стенку по ТТ передавалось в пекарню и та всегда была стерильной (5. с. 27-28), (2. с. 138). Вот почему предлагается использовать способ быстрой передачи тепла с помощью кипящей жидкости.The analogue closest to the invention is the heat pipes (HT) of the bakery. It turns out that at the beginning of the 19th century, specialists from the people not only invented, but also applied this phenomenon. It turns out that heat pumps were used then in baking ovens - the heat from the dusty stoker through the wall was transferred through the heat pump to the bakery and it was always sterile (5. p. 27-28), (2. p. 138). That is why it is proposed to use the method of rapid heat transfer using a boiling liquid.

Известно, что нагретое тело можно быстро охлаждать с помощью кипящей жидкости, а получившийся в результате пар чисто механически транспортировать к холодному телу. Конденсируясь на нем, пар также быстро отдает тепло и снова превращается в жидкость. Так как скорость движения пара намного выше, чем тепла, распространяющегося вдоль стержня, то количество передаваемой тепловой энергии увеличивается в сотни и даже в тысячи раз.It is known that a heated body can be quickly cooled with a boiling liquid, and the resulting vapor can be transported purely mechanically to a cold body. Condensing on it, the steam also quickly gives off heat and again turns into a liquid. Since the speed of steam movement is much higher than that of the heat propagating along the rod, the amount of transferred thermal energy increases hundreds and even thousands of times.

Устройство для сверхбыстрой передачи тепла паром кипящей жидкости назвали тепловой трубой (ТТ) (6). Это длинный тонкостенный металлический цилиндр. Воздух из него откачан, а внутренние стенки выкладываются пропитанным жидкостью пористым материалом: металлической сеткой, стекловолокном, спеченной керамикой и тканью, из которой делают фитили.A device for ultrafast heat transfer by steam of a boiling liquid was called a heat pipe (HT) (6). It is a long thin-walled metal cylinder. The air is pumped out of it, and the inner walls are laid out with a liquid-impregnated porous material: metal mesh, fiberglass, sintered ceramics and the fabric from which the wicks are made.

Один конец трубы нагревается и жидкость испаряется, а пар устремляется к холодному концу ТТ, конденсируясь, пар отдает тепло, а жидкость по капиллярам пористых стенок снова направляется к нагретой части ТТ.One end of the pipe heats up and the liquid evaporates, and the vapor rushes to the cold end of the HP, condensing, the steam gives off heat, and the liquid through the capillaries of the porous walls again goes to the heated part of the HP.

При умеренных температурах хорошие результаты дают трубы, заполненные дистиллированной водой, при сверхнизких - жидкий водород, при очень высокой температуре - жидкий натрий, калий или литий.At moderate temperatures, pipes filled with distilled water give good results, at ultra-low temperatures - liquid hydrogen, at very high temperatures - liquid sodium, potassium or lithium.

Предлагается и ТТ придавать витую форму, что еще больше увеличит скорость передачи теплового потока.It is also proposed to give the CT a twisted shape, which will further increase the heat flux transfer rate.

ТТ лучом расходящиеся из общей точки могут работать как линзы, концентрируя или «разжижая» потоки тепла в зависимости от того, с какой стороны находится источник энергии. ТТ можно рассматривать, как преобразователь теплового потока. Большая поверхность ТТ позволяет использовать для ее нагрева тепловой поток малой плотностью. Теплота, полученная таким образом, может вновь передаваться тепловым потоком высокой плотности к другой поверхности теплообмена. В этом случае ТТ в отношении плотности теплового потока действует как трансформатор напряжения электрического тока (1. с.398-401; 2. с.138; П.Д. Дан, Д.А. Рей. М. «Энергия», с.11, 14, 132, 177-208, 257, абз. 1).TTs diverging from a common point can work as lenses, concentrating or “diluting” heat flows, depending on which side the energy source is on. A CT can be considered as a heat flux converter. The large surface of the HP makes it possible to use a low-density heat flux for its heating. The heat thus obtained can be retransmitted by a high density heat flux to another heat exchange surface. In this case, the CT in relation to the heat flux density acts as an electric voltage transformer (1. p. 398-401; 2. p. 138; P.D. Dan, D.A. Rei. M. "Energy", p. 11, 14, 132, 177-208, 257, paragraph 1).

Один пример: литиевую трубу поместили одним концом в середину мощной электрической дуги, а другим в бак с холодной водой - стержень мгновенно раскалился докрасна, и вода закипела. Для сравнения, чтобы передать тепловую мощность 15 кВт по медному стержню сечением 1 см² на расстояние 0,5 м его горячий конец нужно раскалить до 180 000°С. Литиевая труба таких размеров, нагретая до 1500°С, передает эту мощность при разности температур на концах в 5°С.One example: a lithium pipe was placed with one end in the middle of a powerful electric arc, and with the other end in a tank of cold water - the rod instantly became red-hot, and the water boiled. For comparison, in order to transfer a thermal power of 15 kW along a copper rod with a cross section of 1 cm ² to a distance of 0.5 m, its hot end must be heated to 180,000 ° C. A lithium pipe of this size, heated to 1500°C, transmits this power with a temperature difference at the ends of 5°C.

Сегодня проблема быстрой передачи энергии в ДС остается нерешенной, поскольку необходимо еще преодолеть тепловую инерцию стенок цилиндра - Фиг.8.Today, the problem of fast energy transfer in the DS remains unresolved, since it is still necessary to overcome the thermal inertia of the cylinder walls - Fig.8.

Так как стенки цилиндра ДС не являются средой достаточно высокой теплопроводности, чтобы обеспечить постоянство температуры газа в цилиндре предлагается эффективный способ нагрева рабочего тела, находящегося внутри цилиндра ДС, используя тепловую трубу витой формы - одним концом, установленную в камере сгорания, а другим - в свободном пространстве, в верхней части самого цилиндра, через сверления нижней части камеры сгорания и верхней части - головки цилиндра, при этом трубы веером сходятся в одной точке, чтобы работать как линза, концентрируя потоки тепла именно внутри цилиндра. Для большего эффекта, верхняя часть камеры сгорания в нижней части имеет вогнутую форму под профиль верхней части головки цилиндра, для того чтобы длина ТТ была минимальной, см. Фиг. 10.Since the walls of the DS cylinder are not a medium of sufficiently high thermal conductivity to ensure the constancy of the gas temperature in the cylinder, an effective method is proposed for heating the working fluid inside the DS cylinder using a twisted heat pipe - one end installed in the combustion chamber, and the other - in the free space, in the upper part of the cylinder itself, through drillings in the lower part of the combustion chamber and the upper part - the cylinder head, while the pipes fan out at one point to work like a lens, concentrating heat flows inside the cylinder. For greater effect, the upper part of the combustion chamber at the bottom is concave to the profile of the upper part of the cylinder head, in order to keep the length of the CT to a minimum, see Fig. 10.

Если сегодня, чтобы довести температуру рабочего тела 700°С, в камере сгорания вынуждены поддерживать температуру 2000° С. В случае использования ТТ для передачи тепла - достаточной будет температура в камере сгорания 750 - 800°С или даже меньше.If today, in order to bring the temperature of the working fluid to 700 ° C, the temperature in the combustion chamber is forced to maintain a temperature of 2000 ° C. In the case of using HP for heat transfer, a temperature in the combustion chamber of 750 - 800 ° C or even less will be sufficient.

Термический КПД ДС, так же как и других тепловых, возрастает с повышением температуры при подводе тепловой энергии и с понижением температуры при отводе тепловой энергии. Влияние температуры при подводе и отводе тепла на термический КПД прямо следует из уравнения Карно для идеального случаяThe thermal efficiency of DS, as well as other thermal ones, increases with an increase in temperature when thermal energy is supplied and with a decrease in temperature when thermal energy is removed. The effect of temperature during heat supply and removal on thermal efficiency directly follows from the Carnot equation for the ideal case

И так попробуем рассчитать идеальный термический КПД, используя, для нагрева рабочего тела ТТ (1. с. 84, 85)And so let's try to calculate the ideal thermal efficiency, using TT to heat the working fluid (1. p. 84, 85)

\ \

Строго говоря, уравнение (2) следовало назвать уравнением Стирлинга, поскольку цикл Стирлинга появился на несколько лет раньше цикла Карно, однако именно цикл Карно был принят в качестве идеального при оценке термического КПД. Хотя значения КПД, вычисленные по формуле (2), и не достигаются в реальных двигателях, зависимость КПД от температуры, определяемая этой формулой, не слишком далека от реальной. И хотя, даже в наиболее совершенных ДС максимальные значения термического КПД не превышают 65-70% КПД цикла Карно, потенциальные возможности повышения КПД ДС, как видим, еще не исчерпаны.Strictly speaking, equation (2) should be called the Stirling equation, since the Stirling cycle appeared several years earlier than the Carnot cycle, but it was the Carnot cycle that was accepted as ideal when assessing the thermal efficiency. Although the efficiency values calculated by formula (2) are not achieved in real engines, the dependence of efficiency on temperature, determined by this formula, is not too far from the real one. And although, even in the most advanced DS, the maximum values of thermal efficiency do not exceed 65-70% of the efficiency of the Carnot cycle, the potential possibilities for increasing the DS efficiency, as we see, have not yet been exhausted.

Так как для охлаждения ДС и генератора используется ДхС, температуру в холодильнике мы можем еще больше понизить, тем самым еще незначительно увеличив термический КПД.Since DxC is used to cool the DS and the generator, we can lower the temperature in the refrigerator even more, thereby slightly increasing the thermal efficiency.

Вот какие прямо невероятные возможности таятся в ДС?What are the incredible possibilities lurking in the DC?

ТТ применяются также в холодильнике, часть труб от камеры сгорания подводится на вход регенератора для нагрева газа, который возвращается из холодильника, а на выход регенератора ТТ от ДхС - для более интенсивного охлаждения горячих газов, поступающих в холодильник для большего увеличения разности T₁ и Т₂.HP is also used in the refrigerator, part of the pipes from the combustion chamber is connected to the inlet of the regenerator to heat the gas that returns from the refrigerator, and to the output of the HP regenerator from the DxS - for more intensive cooling of hot gases entering the refrigerator to increase the difference between T ₁ and T ₂ .

Все перечисленные достоинства, которые получаем при использовании труб витой формы, в случае использования ТТ увеличиваются многократно: сокращаются объем ДС, масса, экономится топливо, отпадает необходимость в трубках нагревателя, работающих в тяжелых условиях, поддерживать температуру 2000°С, в холодильнике и предварительном подогревателе - останутся только ТТ. Работа всех узлов и деталей происходят в более благоприятных условиях, при меньших температурах, меньше будет проблем и с системой уплотнений.All the listed advantages that we get when using twisted pipes, in the case of using HP, increase many times over: the volume of the combustion engine is reduced, the weight is reduced, fuel is saved, there is no need for heater tubes operating in difficult conditions, maintaining a temperature of 2000 ° C, in the refrigerator and preheater - only TT will remain. The work of all components and parts takes place in more favorable conditions, at lower temperatures, there will be fewer problems with the sealing system.

И для ТТ для повышения интенсивности теплопередачи в 2-3 раза предлагается на конденсаторном участке наносить оребрение витой формы внутренних поверхностей ТТ, в том числе и у регенератора, придав ему цилиндрическую витую форму - это будет универсальная тепловая труба - ТТ и тепловой аккумулятор - внутренние стенки которой выложены не только галетами - «путанка», из дорогой металлической сетки - хромо-никелиевой, нержавеющей стали, никелиевой, вольфрамовой, молибденовой, металлокерамической, но и пористым материалом, стекловолокном и тканью, из которой делают фитили, на конденсаторном участке.And for HP to increase the intensity of heat transfer by 2-3 times, it is proposed to apply twisted finning of the internal surfaces of the HP, including the regenerator, on the condenser section, giving it a cylindrical twisted shape - this will be a universal heat pipe - HP and a heat accumulator - internal walls which are lined not only with biscuits - "mess", from an expensive metal mesh - chromium-nickel, stainless steel, nickel, tungsten, molybdenum, cermet, but also porous material, fiberglass and fabric from which the wicks are made, in the condenser section.

Указанные способы увеличения теплообменных процессов, позволят увеличить КПД ДС, сократить массу ДС, сократить потребление топлива, кислорода, выбросы парниковых газов.These methods of increasing heat exchange processes will increase the efficiency of the DS, reduce the mass of the DS, reduce the consumption of fuel, oxygen, and greenhouse gas emissions.

Когда требование компактности энергосиловой установки является определяющим, особенно в системах, предназначенных для транспортных средств, где экономия занимаемого двигателем объема является определяющим фактором, предлагаемые меры позволят это выполнить.When the requirement for a compact power plant is critical, especially in vehicle applications where engine space savings are a determining factor, the proposed measures will make this possible.

Витая форма, ТТ будет способствовать увеличению скорости движения рабочего тела в каналах. Однако имеется эффект воздействия скорости, специфичный для ДС и связанный с возрастанием скоростей частиц рабочего тела. Скорость двигателя может достичь такого уровня, что рабочее тело не будет успевать полностью перемещаться из горячей полости в холодную и обратно. Мало что известно об этом эффекте, за исключением того, что принятые в настоящее время принципы конструирования теплообменников могут оказаться не подходящими для двигателей, работающих на высоких скоростях (1. с. 98-99).Twisted form, TT will increase the speed of movement of the working fluid in the channels. However, there is an effect of the impact of speed, specific for the DS and associated with an increase in the speeds of the particles of the working fluid. The speed of the engine can reach such a level that the working fluid will not have time to completely move from the hot cavity to the cold one and vice versa. Little is known about this effect, except that currently accepted heat exchanger design principles may not be suitable for engines operating at high speeds (1. p. 98-99).

Используя витую форму трубок, ТТ и оребрение их внутренних поверхностей, есть возможность предотвратить наступление указанного эффекта.Using the twisted shape of the tubes, HP and the finning of their inner surfaces, it is possible to prevent the onset of this effect.

Предлагается использовать витую форму труб и ТТ с оребрением их внутренних поверхностей также и в различного рода теплообменных нагревательных и холодильных устройствах. В статье «Цикл Стирлинга - для всемирного использования вторичных энергетических ресурсов» - «Энергия: экономика, техника, экология» (7. с. 39-41), упоминается: «Запасы природного пара Камчатки эквивалентны 1500 МВт электроэнергии. По словам доктора технических наук, профессора В.В Потапова, на Камчатской ГеоТЭС горячая вода (сбросной сепаратор) в количестве 1000-1200 т/ч с температурой 160°С закачивается обратно в горные недра». Если использовать ТТ веером сходящиеся в центре второго контура с очищенной водой для нагрева, с целью получения пара для турбины с генератором -можно получить пар с большей температурой, чем сегодня.It is proposed to use the twisted shape of pipes and HP with finning of their inner surfaces also in various types of heat exchange heating and cooling devices. In the article “The Stirling cycle - for the worldwide use of secondary energy resources” - “Energy: economics, technology, ecology” (7. p. 39-41), it is mentioned: “Natural steam reserves of Kamchatka are equivalent to 1500 MW of electricity. According to Doctor of Technical Sciences, Professor V.V. Potapov, at the Kamchatka GeoTPP, hot water (discharge separator) in the amount of 1000-1200 t / h with a temperature of 160 ° C is pumped back into the mountain bowels. If you use TT fan converging in the center of the secondary circuit with purified water for heating, in order to obtain steam for the turbine with a generator, you can get steam with a higher temperature than today.

Серьезная проблема при создании сжиженного природного газа (СПГ) максимальное укрупнение оборудования, так теплообменники имеют вес 200-250 тонн (8. с. 81). Вот почему так важно создание эффективных и компактных теплообменников. Стоимость пластинчато-ребристых теплообменников из-за сложности их изготовления достаточно высокая. Использование же ТТ позволит достичь одного и другого.A serious problem in the creation of liquefied natural gas (LNG) is the maximum enlargement of equipment, since heat exchangers weigh 200-250 tons (8. p. 81). That is why it is so important to create efficient and compact heat exchangers. The cost of plate-fin heat exchangers is quite high due to the complexity of their manufacture. The use of TT will allow you to achieve one and the other.

Подобная выгода от ТТ относится не только при использовании геотермальных источников, попутного нефтяного газа, но и при использовании солнечной энергии, а при использовании ВЭР будут пригодными даже низко-потенциальные источники.Such benefits from HT apply not only when using geothermal sources, associated petroleum gas, but also when using solar energy, and when using VER, even low-potential sources will be suitable.

ТТ представляют собой устройства для пространственного переноса тепла при малом градиенте температуры. Из всех существующих устройств, для передачи тепла они по многим показателям являются наиболее совершенными. По принципу действия ТТ относятся к рекуперативным теплообменникам с промежуточным теплоносителем. В отличие от других систем такого рода в ТТ передача теплового потока на расстояние от «источника» к «стоку» (то есть от первичного теплоносителя ко вторичному) осуществляется без дополнительных энергозатрат на циркуляцию промежуточного теплоносителя.HPs are devices for spatial heat transfer at a small temperature gradient. Of all the existing devices for heat transfer, they are the most advanced in many respects. According to the principle of operation, HPs are classified as recuperative heat exchangers with an intermediate coolant. In contrast to other systems of this kind, in HP the transfer of heat flow over a distance from the “source” to the “drain” (that is, from the primary coolant to the secondary one) is carried out without additional energy consumption for the circulation of the intermediate coolant.

Для увеличения мощности, КПД и других показателей двигателя необходимо стремиться к повышению температуры рабочего тела в горячей полости и к снижению его температуры в холодной, а также к росту КПД регенератора и уменьшению размеров и массы охладителя, и нагревателя в оптимальных пределах. Степень форсирования двигателей ограничивается не только механическими напряжениями в его деталях, но и температурными напряжениями, зависящими от температуры градиентов. Поэтому дальнейшее форсирование двигателей по среднему эффективному давлению и частоте вращения в значительной мере зависит от совершенства процессов в теплообменных аппаратов (2. с. 45).To increase the power, efficiency and other indicators of the engine, it is necessary to strive to increase the temperature of the working fluid in the hot cavity and to reduce its temperature in the cold one, as well as to increase the efficiency of the regenerator and reduce the size and weight of the cooler and heater within optimal limits. The degree of engine forcing is limited not only by mechanical stresses in its parts, but also by thermal stresses that depend on the temperature of the gradients. Therefore, further boosting of engines in terms of average effective pressure and rotational speed largely depends on the perfection of processes in heat exchangers (2. p. 45).

Вот почему использование ТТ, полностью меняют парадигму теплообменных процессов в ДС и не только.That is why the use of HP completely changes the paradigm of heat exchange processes in DS and not only.

Целесообразность применения их в различных областях техники объясняется высокой эффективностью теплопереноса, надежностью, компактностью и большим ресурсом работы!The expediency of their application in various fields of technology is explained by the high efficiency of heat transfer, reliability, compactness and long service life!

Почему сегодня проблемами глобальной энергетики занимается наш президент, Совет Федерации? «ЕС собирается вводить трансграничный углеродный налог - это очень чувствительная мера для нашего экспорта. Налог будет распространяться на конкретный товар в соответствии с его углеродным следом, объемом выбросов парниковых газов, который был образован на всем жизненном Цикле, от момента добычи сырья до момента логистики и сбыта».Why is our president, the Federation Council, dealing with global energy issues today? “The EU is going to introduce a cross-border carbon tax - this is a very sensitive measure for our exports. The tax will apply to a specific product in accordance with its carbon footprint, the amount of greenhouse gas emissions that have been generated throughout the entire life cycle, from the moment of extraction of raw materials to the moment of logistics and marketing.

Приходится только сожалеть, если бы услышали в свое время (потеряно 13 лет) обращение к президентам, Правительству, Совету Безопасности, Академии наук, Министерству энергетики, к правящей и основным оппозиционным партиям - как можно быстрее претворить в жизнь Цикл Стирлинга! Организовать производство «Русского Стирлинга»! А сегодня насколько было бы легче, проще и выгоднее считать Цикл углеродного следа нашего сырья и товаров?We only have to regret if we heard at one time (13 years lost) an appeal to the presidents, the Government, the Security Council, the Academy of Sciences, the Ministry of Energy, the ruling and main opposition parties - to implement the Stirling Cycle as soon as possible! Organize the production of "Russian Stirling"! And today, how much easier, simpler and more profitable would it be to calculate the Carbon Footprint Cycle of our raw materials and goods?

«Потери, которые понесет наша сырьевая и экспортная составляющая, по разным оценкам, могут варьироваться в объеме 3-5 млд евро - Транспорт России. 12-18.04.2021. с. 5.“The losses that our raw material and export component will suffer, according to various estimates, may vary in the amount of 3-5 billion euros - Transport of Russia. 12-18.04.2021. With. 5.

Список литературыBibliography

1. Р.Т. Ридер, Ч. Хупер. Двигатели Стирлинга. Перевод с англ. М., «Мир». 1986.1. R.T. Reeder, C. Hooper. Stirling engines. Translation from English. M., Mir. 1986.

1. Двигатель Стирлинга. «Машиностроение». М. 1977.1. Stirling engine. "Engineering". M. 1977.

2. Наука и жизнь. №6. 1984. с. 31-33.2. Science and life. No. 6. 1984. p. 31-33.

3. Теплотехника. М, «Высшая школа». 1981. с. 44,45.3. Heat engineering. M, Higher School. 1981. p. 44.45.

4. Новости теплоснабжения. №4. 2005.4. Heat supply news. No. 4. 2005.

5. Тепловые трубы электрических машин. М. «Энерегоатомиздат». 1987. с. 88.5. Heat pipes of electrical machines. M. "Energoatomizdat". 1987. p. 88.

6. Энергия: экономика, техника, экология. №6. 2021. с. 39-41.6. Energy: economics, technology, ecology. No. 6. 2021. p. 39-41.

7. Наука и жизнь. №7. 1988. с. 81.7. Science and life. No. 7. 1988. p. 81.

8. В.Я. Гиршфельд, Г.Н. Морозов. Тепловые электростанции, «энергия». М. 1973.8. V.Ya. Girshfeld, G.N. Morozov. Thermal power plants, "energy". M. 1973.

Claims

1. A method for increasing the efficiency of heat exchange processes in a Stirling engine, which consists in using a twisted shape of tubes of a heater, refrigerator, preheater and regenerator of a cylindrical shape, including due to finning of their inner surface in the condenser section; at the same time, to increase the efficiency of the regenerator, the coolant from the combustion chamber is supplied to the inlet of the regenerator, and the cooler to its outlet, using heat pipes.

2. A method for increasing the efficiency of heat exchange processes in a Stirling engine, which consists in using twisted heat pipes - with one end installed in the combustion chamber, and with the other - into the free space of the upper part of the cylinder through drilling the lower part of the combustion chamber and the upper part of the cylinder head ; at the same time, the tubes fan out at one point to work like a lens, concentrating heat flows, directly heating the working fluid, and not through the walls of the cylinder; for greater efficiency, the lower part of the combustion chamber has a concave shape under the profile of the upper part of the cylinder head, so that the length of the heat pipes is minimal; heat pipes are also used in the cylindrical refrigerator and regenerator; at the same time, for greater efficiency, the inner surfaces of the heat pipes are finned; coolant is supplied from the combustion chamber with the help of heat pipes to the inlet of the regenerator; in the refrigerator, the working fluid is cooled using heat pipes, which receive cold from the auxiliary Stirling engine operating in the refrigerator mode to increase the temperature difference between the coolant in the hot cavity and the refrigerator; for greater efficiency of heat exchange processes, a cylindrical regenerator is used, combining the properties of a heat accumulator and a heat pipe, the inner walls of which are lined with a grid made of chromium-nickel, stainless steel, nickel, tungsten, molybdenum, metal-ceramic, and also lined with porous material and the fabric from which the wicks are made to increase the speed of the coolant; the regenerator has internal fins.