RU2827399C1 - Thermal unit of stirling engine - Google Patents
Thermal unit of stirling engine Download PDFInfo
- Publication number
- RU2827399C1 RU2827399C1 RU2024104228A RU2024104228A RU2827399C1 RU 2827399 C1 RU2827399 C1 RU 2827399C1 RU 2024104228 A RU2024104228 A RU 2024104228A RU 2024104228 A RU2024104228 A RU 2024104228A RU 2827399 C1 RU2827399 C1 RU 2827399C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- cylinder
- heater
- cooler
- displacer
- regenerator
- Prior art date
Links
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 15
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 8
- 239000002826 coolant Substances 0.000 claims description 14
- 239000012530 fluid Substances 0.000 abstract description 20
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 abstract description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 6
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 5
- 239000013590 bulk material Substances 0.000 description 3
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 1
- 239000000110 cooling liquid Substances 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области двигателестроения, а именно - к устройству теплового блока двигателей, работающих по циклу Стирлинга, и может быть использовано в различных двигательных установках Стирлинга, применяемых в изолированных районах, в космическом пространстве и т.д., и там, где неэффективно или невозможно применять двигатели внутреннего сгорания, а также паровые двигатели или турбины.The invention relates to the field of engine building, namely to the design of a thermal unit for engines operating on the Stirling cycle, and can be used in various Stirling engine installations used in isolated areas, in outer space, etc., and where it is ineffective or impossible to use internal combustion engines, as well as steam engines or turbines.
Известен двигатель Стирлинга [RU 2100634, опубл. 27.12.1997], содержащий по меньшей мере один цилиндр вытеснителя, в котором перемещается вытеснительный поршень, разделяющий объем цилиндра на горячую и холодную полости. При этом нагреватель, регенератор и охладитель установлены последовательно в магистрали, соединяющей горячую и холодную полости. Охладитель содержит цилиндрическую рубашку охлаждения, заполненную охлаждающей жидкостью и охватывающую цилиндр с поршнем, снабженную двумя кольцевыми коллекторами, подключенными к патрубкам подвода и отвода жидкости. Охладитель, выполненный по типу "труба в трубе", содержит кольцевые каналы, образованные при помощи втулок с внутренними отверстиями, расположенными равномерно по диаметру цилиндра в рубашке охлаждения, по которым циркулирует рабочее тело.A Stirling engine is known [RU 2100634, published 27.12.1997], containing at least one displacer cylinder, in which a displacer piston moves, dividing the volume of the cylinder into hot and cold cavities. In this case, a heater, a regenerator and a cooler are installed in series in the line connecting the hot and cold cavities. The cooler contains a cylindrical cooling jacket filled with cooling liquid and enclosing the cylinder with the piston, equipped with two annular collectors connected to the liquid inlet and outlet pipes. The cooler, made as a "pipe in pipe", contains annular channels formed by means of bushings with internal holes located uniformly along the diameter of the cylinder in the cooling jacket, through which the working fluid circulates.
Недостатком данного устройства является недостаточный теплообмен цилиндрических стенок каналов охладителя с рабочей средой, что уменьшает эффективность двигателя.The disadvantage of this device is the insufficient heat exchange of the cylindrical walls of the cooler channels with the working environment, which reduces the efficiency of the engine.
Известен двигатель Стирлинга [RU 2008489, опубл. 28.02.1994], содержащий по меньшей мере один цилиндр с верхней крышкой-нагревателем, обращенной к внешнему источнику теплоты, вытеснительный и рабочий поршни, размещенные в цилиндре и разделяющие его объем на горячую полость, холодную полость и буферную полость, охладитель, регенератор и нагреватель, установленные последовательно в магистрали, соединяющей горячую и холодную полости, причем нагреватель выполнен в виде диска с размещенными в нем профилированными каналами, одна часть которых соединяет горячую полость с периферией диска, которая сообщена с другой частью каналов, соединяющих периферию диска с регенератором, при этом каналы нагревателя выполнены в виде усеченной по образующей цилиндрической трубы, обращенной большей своей поверхностью к источнику теплоты.A Stirling engine is known [RU 2008489, published 28.02.1994], comprising at least one cylinder with an upper cover-heater facing an external heat source, a displacement and working pistons placed in the cylinder and dividing its volume into a hot cavity, a cold cavity and a buffer cavity, a cooler, a regenerator and a heater, installed in series in a line connecting the hot and cold cavities, wherein the heater is made in the form of a disk with profiled channels placed in it, one part of which connects the hot cavity with the periphery of the disk, which is communicated with the other part of the channels connecting the periphery of the disk with the regenerator, wherein the heater channels are made in the form of a cylindrical pipe truncated along a generatrix, facing with its larger surface towards the heat source.
Недостатком этого двигателя являются необходимость использования в нагревателе диска с каналами, имеющего большую жесткость и толщину для того, чтобы выдерживать высокое давление рабочего тела (газа) внутри. Вторым недостатком является то, что для обеспечения требуемого теплового потока необходимо использовать большие габариты диска нагревателя, что затрудняет использование данной конструкции в многопоршневых двигателях. Третьим недостатком является низкая эффективность теплопередачи в охладителе, содержащим канал, в котором рабочее тело охлаждается за счет охлаждения стенок внешней рубашкой охладителя с циркулирующим в нем холодным теплоносителем.The disadvantage of this engine is the need to use a disk with channels in the heater, which has great rigidity and thickness in order to withstand the high pressure of the working fluid (gas) inside. The second disadvantage is that in order to provide the required heat flow, it is necessary to use large dimensions of the heater disk, which complicates the use of this design in multi-piston engines. The third disadvantage is the low efficiency of heat transfer in the cooler, which contains a channel in which the working fluid is cooled by cooling the walls of the outer jacket of the cooler with a cold coolant circulating in it.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является тепловой блок двигателя Стирлинга [RU 2788798, опубл. 24.01.2023], состоящий из последовательно соединенных нагревателя, регенератора, охладителя и цилиндра вытеснителя с установленным в нем поршнем-вытеснителем. Нагреватель и охладитель имеют рубашки, в которые через входной и выходной патрубки подается горячий или холодный теплоноситель для передачи или отвода тепла от внешних источников. Объем, образованный зазором между внутренними поверхностями нагревателя или охладителя и цилиндром вытеснителя, заполнен сыпучим материалом, обладающим хорошей газопроницаемостью и теплопроводностью, который обменивается теплом с рабочим телом.The closest technical solution selected as a prototype is the Stirling engine thermal block [RU 2788798, published 24.01.2023], consisting of a heater, regenerator, cooler and displacer cylinder connected in series with a piston-displacer installed in it. The heater and cooler have jackets into which a hot or cold coolant is supplied through the inlet and outlet pipes to transfer or remove heat from external sources. The volume formed by the gap between the internal surfaces of the heater or cooler and the displacer cylinder is filled with a bulk material with good gas permeability and thermal conductivity, which exchanges heat with the working fluid.
В связи с неравномерностью распределения сыпучего материала по объему и отсутствием надежного теплового контакта его частиц со стенками нагревателя и охладителя в тепловом блоке имеются зоны с различным гидравлическим сопротивлением и коэффициентом теплопередачи, а уменьшение объема сыпучего материала в результате тепловых деформаций в процессе работы теплового блока приводит к снижению теплопередачи рабочему телу, что является основными недостатками теплового блока.Due to the uneven distribution of bulk material by volume and the lack of reliable thermal contact of its particles with the walls of the heater and cooler, the heating block has zones with different hydraulic resistance and heat transfer coefficients, and a decrease in the volume of bulk material as a result of thermal deformations during the operation of the heating block leads to a decrease in heat transfer to the working fluid, which is the main disadvantage of the heating block.
Техническим результатом изобретения является увеличение эффективности работы теплового блока двигателя Стирлинга за счет более эффективной передачи тепла от стенок нагревателя и охладителя рабочему телу, а также упрощение конструкции.The technical result of the invention is an increase in the efficiency of the Stirling engine thermal block due to more efficient heat transfer from the walls of the heater and cooler to the working fluid, as well as a simplification of the design.
Технический результат достигается тем, что тепловой блок двигателя Стирлинга содержит последовательно соединенные нагреватель, регенератор и охладитель, образованные цилиндром вытеснителя с установленным в нем поршнем-вытеснителем и внешним цилиндром с зазором между ними, заполненным металлическими спиралями с большой теплопроводностью в области нагревателя и охладителя и теплоаккумулирующим материалом в области регенератора, также нагреватель и охладитель содержат расположенные снаружи внешнего цилиндра рубашки с горячим и холодным теплоносителем соответственно, содержащие входной и выходной патрубки, при этом нижняя часть внешнего цилиндра соединена с коллектором, содержащим аксиальный канал с расположенным в нем штоком поршня-вытеснителя и канал сообщения с рабочим цилиндром, а верхние части обоих цилиндров заканчиваются головками цилиндров, при этом в центре головки цилиндра вытеснителя выполнено отверстие.The technical result is achieved in that the thermal block of the Stirling engine contains a heater, a regenerator and a cooler connected in series, formed by a displacer cylinder with a piston-displacer installed in it and an outer cylinder with a gap between them, filled with metal spirals with high thermal conductivity in the area of the heater and cooler and heat-accumulating material in the area of the regenerator, the heater and cooler also contain jackets with hot and cold coolant, respectively, located outside the outer cylinder, containing an inlet and outlet branch pipes, wherein the lower part of the outer cylinder is connected to a manifold containing an axial channel with a piston-displacer rod located in it and a communication channel with the working cylinder, and the upper parts of both cylinders end with cylinder heads, wherein an opening is made in the center of the displacer cylinder head.
Сущность изобретения поясняется графическими материалами:The essence of the invention is explained by graphic materials:
- фигура 1 - тепловой блок двигателя Стирлинга;- figure 1 - thermal block of the Stirling engine;
- фигура 2 - поперечное сечение нагревателя теплового блока.- figure 2 - cross-section of the heating block heater.
Теловой блок двигателя Стирлинга, как представлено на фигуре 1, включает следующие основные части:The Stirling engine body block, as shown in Figure 1, includes the following main parts:
1 - нагреватель;1 - heater;
2 - регенератор;2 - regenerator;
3 - охладитель;3 - cooler;
4 - внешний цилиндр;4 - outer cylinder;
5 - цилиндр вытеснителя;5 - displacer cylinder;
6 - головка внешнего цилиндра;6 - outer cylinder head;
7 - головка цилиндра вытеснителя;7 - displacer cylinder head;
8 - рубашка нагревателя;8 - heater jacket;
9 - рубашка охладителя;9 - cooling jacket;
10а - спирали нагревателя;10a - heating coils;
10, - спирали охладителя;10, - cooler spirals;
11 - теплоаккумулирующий материал;11 - heat-accumulating material;
12 - поршень-вытеснитель;12 - piston-displacer;
13 - отверстие в головке цилиндра вытеснителя;13 - hole in the cylinder head of the displacer;
14 - коллектор;14 - collector;
15 - шток поршня-вытеснителя;15 - piston rod;
16 - канал сообщения с рабочим цилиндром.16 - communication channel with the working cylinder.
Как представлено на фигурах 1 и 2, заявляемый тепловой блок двигателя Стирлинга содержит последовательно расположенные нагреватель 1, регенератор 2 и охладитель 3. Нагреватель 1 теплового блока образован верхней частью внешнего цилиндра 4 и цилиндра вытеснителя 5, заканчивающимися головками цилиндров 6 и 7 соответственно, а также рубашкой нагревателя 8, снабженной входными и выходными патрубками (на фигурах отдельно цифрами не отмечены), в которой циркулируют горячий теплоноситель. Зазор между стенками внешнего цилиндра 4 и цилиндра вытеснителя 5 заполнен металлическими спиралями 10а.As shown in Figures 1 and 2, the claimed thermal block of the Stirling engine contains a heater 1, a
Охладитель теплового блока 3 образован нижней частью внешнего цилиндра 4 и цилиндра вытеснителя 5, а также рубашкой охладителя 9, снабженной входными и выходными патрубками, в которой циркулируют холодный теплоноситель. Зазор между стенками внешнего цилиндра 4 и цилиндра вытеснителя 5 в охладителе 3 также заполнен металлическими спиралями 10б.The cooler of the
Металлические спирали 10а и 10б выполняют из металла, обладающего высокой теплопроводностью. Данные спирали плотно укладывают в зазор между стенками цилиндров слоями по окружности зазора так, чтобы обеспечить хороший тепловой контакт между витками спиралей и стенками цилиндров 4 и 5, а также низкое газодинамическое сопротивление для движения рабочего тела.
Регенератор 2 также образован внешним цилиндром 4 и цилиндром вытеснителя 5, зазор между которыми заполнен теплоаккумулирующим материалом 11.
Внутри цилиндра вытеснителя 5 находится поршень-вытеснитель 12, показанный на фигуре 1 в нижней «мертвой» точке. Для прохождения рабочего тела через нагреватель 1, регенератор 2 и охладитель 3 в верхней части головки цилиндра вытеснителя 7 выполнено отверстие 13.Inside the cylinder of the
Внешний цилиндр 4 в своей нижней части закреплен на коллекторе 14, содержащим аксиальный канал (отдельно фигурах не отмечен), в котором перемещается шток поршня-вытеснителя 15, жестко соединенный с ним. Также коллектор содержит канал сообщения с рабочим цилиндром 16, через который рабочее тело (газ) из подпорпшевого пространства поступает в рабочий цилиндр двигателя.The
Заявляемый тепловой блок двигателя Стирлинга работает следующим образом.The claimed thermal block of the Stirling engine operates as follows.
Тепло, поступающее от горячего теплоносителя, циркулирующего внутри рубашки нагревателя 8, соединяющейся входным и выходным патрубками с внешним источником горячего теплоносителя, через стенку внешнего цилиндра 4 передается металлическим спиралям нагревателя 10а и, далее, рабочему телу.The heat coming from the hot coolant circulating inside the jacket of the
Аналогично охлаждение рабочего тела происходит посредством его контакта с металлическими спиралями охладителя 10б, передающим тепло через стенки внешнего цилиндра 4, охлаждаемые холодным теплоносителем, циркулирующем внутри рубашки охладителя 9, соединяющейся входным и выходным патрубками с источником холодного теплоносителя.Similarly, the cooling of the working fluid occurs through its contact with the metal spirals of the cooler 10b, which transfers heat through the walls of the
Таким образом, металлические спирали нагревателя 10а поддерживаются при высокой температуре, близкой к температуре горячего теплоносителя, а металлические спирали охладителя 106 поддерживается при низкой температуре, близкой к температуре холодного теплоносителя.Thus, the metal coils of the
При движении поршня-вытеснителя 12 из нижней «мертвой» точки вверх, рабочее тело (газ) поступает из надпоршевого пространства через отверстие в головке цилиндра вытеснителя 13 в нагреватель 1, где при прохождении через металлические спирали нагревателя 10а осуществляется его нагрев. При дальнейшем движении рабочего тела его тепло передается теплоаккумулирующему материалу 11 регенератора 2. Дальнейшее движение рабочего тела сопровождается его охлаждением при прохождении через металлические спирали охладителя 106.When the piston-
Рабочее тело, прошедшее зоны нагревателя, регенератора и охладителя поступает в подпоршневое пространство, собирается над коллектором 14 и через его зазор с цилиндром вытеснителя 5 и канал 16 подается в рабочий цилиндр.The working fluid, having passed through the zones of the heater, regenerator and cooler, enters the sub-piston space, collects above the
При перемещении рабочего тела в подпоршневое пространство происходит его охлаждение до температуры, близкой к температуре охладителя. При этом происходит падение давления рабочего тела, передающееся через канал 16 в рабочий цилиндр, где производится его сжатие.When the working fluid moves into the under-piston space, it cools to a temperature close to the cooler temperature. At the same time, the pressure of the working fluid drops, transmitted through
При перемещении рабочего тела в надпоршневое пространство происходит его нагревание до температуры, близкой к температуре нагревателя. При этом происходит увеличение давления рабочего тела, которое передается через канал 16 в рабочий цилиндр, где оно совершает полезную работу расширения.When the working fluid moves into the above-piston space, it heats up to a temperature close to the heater temperature. At the same time, the pressure of the working fluid increases, which is transmitted through
Пример конкретного выполнения теплового блока.An example of a specific implementation of a thermal block.
Тепловой блок двигателя Стирлинга, выполненный в соответствии с представленным выше описанием, в котором нагреватель и охладитель в зазоре величиной 3,5 мм между внешним цилиндром и цилиндром вытеснителя (внешний диаметр цилиндра вытеснителя 80 мм, высота 210 мм) заполнены металлическими спиралями из проволоки 12Х18Н10Т диаметром 0,5 мм. Внешний диаметр спиралей в исходном состоянии 4 мм, коэффициент заполнения 20%.A thermal block of a Stirling engine, made in accordance with the description presented above, in which the heater and cooler in a gap of 3.5 mm between the outer cylinder and the displacer cylinder (the outer diameter of the displacer cylinder is 80 mm, the height is 210 mm) are filled with metal spirals made of 12X18N10T wire with a diameter of 0.5 mm. The outer diameter of the spirals in the initial state is 4 mm, the filling factor is 20%.
Измерение гидравлического сопротивления и коэффициента теплоотдачи проводилось при следующих параметрах: теплоноситель - воздух при атмосферном давлении, расход воздуха на входе 0,0042 м3/сек. Температура теплоносителя в рубашке нагревателя 250°С, охладителя - 18°С, измерение температур осуществляется термопарой К-типа. Гидравлическое сопротивление измерялось водяным дифференциальным манометром.The hydraulic resistance and heat transfer coefficient were measured with the following parameters: coolant - air at atmospheric pressure, air flow rate at the inlet 0.0042 m3 /sec. The temperature of the coolant in the heater jacket is 250°C, cooler - 18°C, temperatures are measured with a K-type thermocouple. The hydraulic resistance was measured with a water differential pressure gauge.
Измеряемые характеристики эффективности теплопередачи заявляемого изобретения сравнивались с характеристиками прототипа, в котором в качестве засыпного материала в зазоре между цилиндрами использовались кусочки металлической спирали диаметром 3 мм и высотой 3 мм из проволоки 12Х18Н10Т диаметром 0,5 мм.The measured characteristics of the heat transfer efficiency of the claimed invention were compared with the characteristics of a prototype in which pieces of a metal spiral with a diameter of 3 mm and a height of 3 mm made of 12X18N10T wire with a diameter of 0.5 mm were used as a backfill material in the gap between the cylinders.
Данные проведенных испытаний представлены в таблице ниже.The results of the tests carried out are presented in the table below.
По полученным данным в ходе испытания заявляемого изобретения в сравнении с прототипом гидравлические потери были уменьшены в 3,9 раза, а тепловая мощность увеличилась в 1,46 раза, что подтверждает заявляемый технический результат.According to the data obtained during testing of the claimed invention, in comparison with the prototype, hydraulic losses were reduced by 3.9 times, and thermal power increased by 1.46 times, which confirms the claimed technical result.
Claims (1)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2827399C1 true RU2827399C1 (en) | 2024-09-25 |
Family
ID=
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4984428A (en) * | 1988-09-29 | 1991-01-15 | Aisin Seiki Kabushiki Kaisha | Stirling engine |
| RU2038502C1 (en) * | 1993-06-10 | 1995-06-27 | Рафик Мансурович Мансуров | Engine with external heat supply |
| US6161389A (en) * | 1998-02-06 | 2000-12-19 | Sanyo Electric Co., Ltd. | Stirling machine with heat exchanger having fin structure |
| US7640740B2 (en) * | 2003-10-30 | 2010-01-05 | Japan Aerospace Exploration Agency | Stirling engine |
| RU2778028C1 (en) * | 2022-02-09 | 2022-08-12 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский Федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" (ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ") | Stirling engine heating head |
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4984428A (en) * | 1988-09-29 | 1991-01-15 | Aisin Seiki Kabushiki Kaisha | Stirling engine |
| RU2038502C1 (en) * | 1993-06-10 | 1995-06-27 | Рафик Мансурович Мансуров | Engine with external heat supply |
| US6161389A (en) * | 1998-02-06 | 2000-12-19 | Sanyo Electric Co., Ltd. | Stirling machine with heat exchanger having fin structure |
| US7640740B2 (en) * | 2003-10-30 | 2010-01-05 | Japan Aerospace Exploration Agency | Stirling engine |
| RU2778028C1 (en) * | 2022-02-09 | 2022-08-12 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский Федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" (ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ") | Stirling engine heating head |
| RU2788798C1 (en) * | 2022-07-19 | 2023-01-24 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр "Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук" (ФИЦ КНЦ СО РАН, КНЦ СО РАН) | Stirling engine thermal block |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CA2543690C (en) | Stirling engine | |
| CN105756804B (en) | Hot end heat exchanger for free piston Stirling engine | |
| US6715285B2 (en) | Stirling engine with high pressure fluid heat exchanger | |
| CN101238276A (en) | External heating engine | |
| CN104595056B (en) | Cold end heat exchanger of free piston type Stirling engine | |
| JPS58500450A (en) | Stirling engine with parallel flow heat exchanger | |
| CN110878722B (en) | Opposed free piston Stirling generator system adopting annular combustor to provide heat | |
| RU2827399C1 (en) | Thermal unit of stirling engine | |
| JPS62118046A (en) | starling engine | |
| WO2019080625A1 (en) | Heat exchanger, gas turbine, boiler, and heat exchanger preparation method | |
| JP4897335B2 (en) | Stirling engine | |
| US3994132A (en) | Apparatus for converting heat energy to mechanical energy | |
| Hirata et al. | Performance evaluation for a 100 W Stirling engine | |
| RU2788798C1 (en) | Stirling engine thermal block | |
| US20250116212A1 (en) | Cartridge for a heat engine having a thermodynamic cycle and associated heat engine | |
| CN113217222B (en) | A Stirling Engine System for Coupled Liquid Metal Cooled Reactors | |
| WO2017164762A1 (en) | Operating method of piston converter with heat exchanger, and converter for implementing method | |
| CN102562357A (en) | Stirling engine with center shaft elliptical rotor | |
| RU2757746C1 (en) | Stirling engine thermal block | |
| RU182024U1 (en) | Stirling engine cooler | |
| US12504237B2 (en) | Multi-tiered regenerator | |
| US20240118037A1 (en) | Multi-tiered regenerator | |
| RU2778028C1 (en) | Stirling engine heating head | |
| Hirao et al. | Improvement in specific power of Stirling engine by using a new heat exchanger | |
| RU2801167C2 (en) | Methods for increasing the efficiency of heat exchange processes in a stirling engine |