Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, и может быть использовано при конструировании тепловых двигателей, использующих разные виды топлив.
Известен способ работы двигателя внешнего сгорания, заключающийся в том, что сжимают газообразное рабочее тело в компрессорном цилиндре, перепускают его в нагреватель, снабженный камерой сгорания. Нагретое рабочее тело подают из нагревателя в рабочий цилиндр для преобразования энергии расширившегося рабочего тела во вращательную энергию выходного вала двигателя. Причем начало подачи рабочего тела в рабочий цилиндр устанавливают при положении его поршня в ВМТ.
Известен двигатель внешнего сгорания, содержащий компрессорный и рабочий цилиндры с впускными и выпускными патрубками. Поршни, установленные в компрессорном и рабочем цилиндрах, связаны посредством шатунов с коленчатым валом двигателя. Двигатель снабжен клапанным механизмом газораспределения с приводом от коленчатого вала двигателя и нагревателем. Нагреватель с камерой сгорания и теплообменником продукты сгорания - рабочее тело сообщает выпускной патрубок компрессорного цилиндра с впускным патрубком рабочего цилиндра.
Недостатком известных способа и устройства являются малая тепловая экономичность и невысокий КПД. Одна из главных причин низкого теплоиспользования - большие потери тепла с охлаждением, составляющие в тепловом балансе расходов до 50%, еще 10-15% составляют потери тепла с отходящими газами. С этой особенностью структуры теплового баланса связан и неизбежный конструктивный недостаток двигателей - громоздкая, сложная, материало- и энергоемкая, дорогостоящая система охлаждения.
К другим недостаткам двигателей внешнего сгорания надо отнести следующие режимные ограничения и условия: малые значения степеней сжатия и повышения давления и связанная с этим необходимость высоких значений среднего давления рабочего тела в цикле для получения приемлемых мощностей. Высокий уровень давлений ужесточает требования к изготовлению и материалам, увеличивает стоимость оборудования.
Цель изобретения - повышение тепловой эффективности и удельной мощности путем снижения потерь тепла с охлаждением двигателя, увеличения полезной работы за счет расширения пара в рабочем цилиндре, глубокой утилизации тепла рабочего тела.
Поставленная цель достигается тем, что по способу работы двигателя внешнего сгорания, заключающемуся в сжатии газообразного рабочего тела в компрессорном цилиндре, перепуске его в нагреватель, снабженный камерой сгорания, подаче нагретого рабочего тела из нагревателя в рабочий цилиндр, преобразовании в последнем энергии расширившегося рабочего тела во вращательную энергию выходного вала двигателя и установлении при этом начала подачи рабочего тела в рабочий цилиндр при положении его поршня в ВМТ, согласно изобретению газообразное рабочее тело сжимают изотермически, тепло, образующееся при сжатии рабочего тела, используют для испарения воды в компрессорном цилиндре, подогревают расширяющееся рабочее тело в рабочем цилиндре продуктами сгорания, образующимися в нагревателе, охлаждают расширившееся рабочее тело до конденсации паров воды в холодильнике-конденсаторе (Х-К), сконденсировавшуюся воду направляют на испарение в компрессорном цилиндре, причем перед подачей расширившегося рабочего тела в Х-К его охлаждают в поверхностных теплообменниках путем двухступенчатого отвода тепла сначала к рабочему телу, выходящему из компрессорного цилиндра, а затем к окислителю, подаваемому на горение в нагреватель.
Общими существенными отличительными признаками заявленного способа являются следующие: газообразное рабочее тело сжимают изотермически, тепло, образующееся при сжатии рабочего тела, используют для испарения воды в компрессорном цилиндре, подогревают расширяющееся рабочее тело в рабочем цилиндре продуктами сгорания, образующимися в нагревателе, охлаждают расширившееся рабочее тело до конденсации паров воды в Х-К, сконденсировавшуюся воду направляют на испарение в компрессорном цилиндре, причем перед подачей расширившегося рабочего тела в Х-К его охлаждают в поверхностных теплообменниках путем двухступенчатого отвода тепла сначала к рабочему телу, выходящему из компрессорного цилиндра, а затем к окислителю, подаваемому на горение в нагреватель.
При этом предпочтительным является то, что газообразное рабочее тело, осушенное в Х-К, подает на впуск компрессорного цилиндра.
Целесообразным является также то, что осуществляют дополнительное сжатие рабочего тела перед его подачей в рабочий цилиндр путем двухступенчатого нагрева сначала теплом рабочего тела, расширившегося в рабочем цилиндре, а затем продуктами сгорания, образующимися в нагревателе.
Технический результат, выраженный в цели изобретения, достигается как совокупностью общих, так и частных существенных признаков заявленного способа.
Так, например, изотермическое сжатие газообразного рабочего тела с отводом тепла на испарение воды снижает потери тепла на охлаждение, утилизация тепла рабочего тела снижает потери тепла с отходящими газами, а расширение пара в рабочем цилиндре повышает удельную мощность, что в целом повышает тепловую эффективность.
Поставленная цель изобретения достигается также и тем, что двигатель внешнего сгорания, содержащий компрессорный и рабочий цилиндры с впускными и выпускными патрубками, поршни, установленные в цилиндрах и связанные с выходным валом двигателя, клапанный механизм газораспределения и нагреватель с камерой сгорания и теплообменником продукты сгорания - рабочее тело, сообщающий выпускной патрубок компрессорного цилиндра с впускным патрубком рабочего цилиндра, согласно изобретению снабжен испарителем, размещенным в компрессорном цилиндре, поверхностными теплообменниками рабочее тело - рабочее тело, продукты сгорания - окислитель и рабочее тело - окислитель, Х-К с водосборником и фильтром, насосом и дутьевым вентилятором, причем теплообменник рабочее тело - рабочее тело размещен между выпускным патрубком компрессорного цилиндра и нагревателем, выход дутьевого вентилятора сообщен с камерой сгорания нагревателя через последовательно установленные теплообменники рабочее тело - окислитель и продукты сгорания - окислитель, выпускной патрубок рабочего цилиндра через указанные последовательно установленные теплообменники рабочее тело - рабочее тело и рабочее тело - окислитель сообщен с входом Х-К, водосборник которого через последовательно установленные фильтр и насос сообщен с испарителем.
Общими существенными отличительными признаками заявленного двигателя внешнего сгорания являются следующие: двигатель снабжен испарителем, размещенным в компрессорном цилиндре, поверхностными теплообменниками рабочее тело - рабочее тело, продукты сгорания - окислитель и рабочее тело - окислитель, Х-К с водосборником и фильтром, насосом и дутьевым вентилятором, причем теплообменник рабочее тело - рабочее тело размещен между выпускным патрубком компрессорного цилиндра и нагревателем, выход дутьевого вентилятора сообщен с камерой сгорания нагревателя через последовательно установленные теплообменники рабочее тело - окислитель и продукты сгорания - окислитель, выпускной патрубок рабочего цилиндра через указанные последовательно установленные теплообменники рабочее тело - рабочее тело и рабочее тело - окислитель сообщен с входом Х-К, водосборник которого через последовательно установленные фильтр и насос сообщен с испарителем.
Целесообразным является то, что теплообменники с общим теплоносителем установлены в одном корпусе, имеющем один вход и один выход для упомянутого общего теплоносителя.
Предпочтительным является то, что впускной клапан компрессорного цилиндра сообщен с выходом Х-К посредством трехходового крана с возможностью подачи осушенного рабочего тела из Х-К и/или атмосферного воздуха.
Целесообразным является также и то, что рабочий цилиндр выполнен с рубашкой нагрева, сообщенной с камерой сгорания нагpевателя, теплообменники рабочее тело - рабочее тело и продукты сгорания - рабочее тело сообщены между собой посредством обратного клапана и выполнены в виде термокомпрессора.
Желательным является также то, что одна из стенок камеры сгорания нагревателя выполнена в виде наружной поверхности рабочего цилиндра.
Технический результат, выраженный в цели изобретения, достигается так же как совокупностью общих, так и частных существенных признаков заявленного двигателя.
Так, например, снабжение компрессорного цилиндра испарителем позволяет осуществить изотермическое сжатие газообразного рабочего тела с отводом тепла на испарение воды, снижает потери тепла на охлаждение, введение в контур циркуляции рабочего тела нескольких теплообменников обеспечивает утилизацию его тепла и снижает потери тепла с отводящими газами, а сообщение впускного клапана компрессорного цилиндра с выходом Х-К, посредством трехходового крана с возможностью подачи осушенного рабочего тела из Х-К и/или атмосферного воздуха позволяет снизить потери на наполнение компрессорного цилиндра, что в целом повышает тепловую эффективность двигателя.
Проведенный поиск по фондам патентной и научно-технической литературы не выявил известность совокупности общих отличительных существенных признаков, описывающих как заявленный способ, так и заявленный двигатель, которые использовались бы по тому же назначению и проявляли бы такие же свойства, которые они проявляют в заявленной совокупности общих существенных признаков заявленных способа и устройства.
Вместе с тем отдельные существенные признаки уже известны.
Известно выполнение цилиндра поршневого двигателя с испарителем для подачи и постепенного испарения воды внутри цилиндра. (Изобретатель и рационализатор, 1989, 3, с.18). В известном техническом решении испарение воды производится в цилиндре двигателя внутреннего, а не внешнего сгорания, при этом решается задача снижения температуры среды в камере сгорания до величины, которую могут выдержать конструкционные материалы.
В заявленном техническом решении испарение воды используется для обеспечения изотермического сжатия рабочего тела и снижения потерь, тепла на охлаждение. Следовательно, известный признак использован в заявленном техническом решении по иному назначению, что позволяет сделать вывод о соответствии заявленного технического решения критерию изобретения "изобретательский уровень".
На фиг. 1 приведена принципиальная тепловая схема двигателя; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 3; на фиг. 3-5 - разрезы Б-Б, В-В, Г-Г на фиг. 2; на фиг. 6 - узел I на фиг. 2; на фиг. 7 и 8 - поперечное и продольное сечения термокомпрессора-теплообменника типа "труба в трубе" с секциями.
Для наглядности на фиг. 2 и 6 все части двигателя развернуты в плане чертежа, а патрубки и клапаны условно показаны в плоскости сечения. Расположение оборудования в плане на фиг. 3 также дано произвольно.
Двигатель, реализующий заявленный способ работы, содержит рабочий цилиндр 1 с клапанами впуска 2 выпуска 3, компрессорный цилиндр 4 с клапанами впуска 5 и выпуска 6. Компрессорный цилиндр 4 снабжен пористыми вставками 7 (испаритель). Нагреватель содержит камеру сгорания 8 с изоляцией 9 и горелочным устройством 10. В состав двигателя также входят рекуперативные трубчатые теплообменники: первый 11 - паровоздушная смесь (ПВС) из компрессорного цилиндра - ПВС из рабочего цилиндра (теплообменник рабочее тело - рабочее тело), второй 12 - продукты сгорания - ПВС (теплообменник продукты сгорания - рабочее тело), третий 13 - ПВС - воздух (теплообменник рабочее тело - окислитель), четвертый 14 - продукты сгорания - воздух (теплообменник продукты сгорания - окислитель), а также Х-К 15, оборудованный водосборником-конденсатоотводчиком, фильтром 16 и насосом 17 высокого давления, коммуникации (трубопроводы): ПВС 18-22, воздуха на горение 23-25, осушенного воздуха 26, продуктов сгорания 27, 28, конденсата 29.
Впускной патрубок компрессорного цилиндра 4 с клапаном 5 впуска снабжен трехходовым краном 30 с элементом управления (например, заслонкой 31), патрубок 32 которого сообщен с атмосферой, а патрубок 33 соединен трубопроводом 26 с Х-К 15. Клапан 5 представляет собой клапан с приводом от выходного вала двигателя, может быть также выполнен в виде обратного клапана. Для подачи атмосферного воздуха на горение - к горелочному устройству через систему теплообменников 13, 14 под необходимым напором служит центробежный (дутьевой) вентилятор 34.
Конструктивная схема на фиг. 2-5 реализована с использованием традиционной компоновки двигателя Стирлинга. Камера сгорания 8 смонтирована непосредственно на головке рабочего цилиндра 1. Воздухоподогреватель - четвертый теплообменник 14 встроен в камеру сгорания, образуя ее боковое цилиндрическое ограждение. На фиг. 2 показаны также отдельные элементы конструкции: завихритель 35, жаровая труба 36, трубки 37 для прохода газов и коллектор 38 продуктов сгорания.
Второй теплообменник 12 представляет собой открытый трубчатый нагреватель, состоящий из трубок 39, смонтирован на кольцевом коллекторе. Трубки 39, также как и трубки 37, могут быть оребрены. Коллектор установлен на основании камеры сгорания и состоит из двух частей: входной 40 и выходной 41.
В схеме, показанной на фиг. 2, предусматривается более глубокая утилизация тепла продуктов сгорания по сравнению с тепловой схемой, показанной на фиг. 1 и 6, - установлен еще один, пятый, теплообменник 42 ПВС - продукты сгорания, он соединен патрубком 43 с коллектором 38 теплообменника 14. Таким образом, помимо теплообмена в камере сгорания в теплообменнике 14 продукты сгорания отдают тепло ПВС в дополнительном теплообменнике 42.
По наружной поверхности рабочего цилиндра на его диаметрально противоположных участках выполнены закрытые каналы 44, 45, имеющие общую с цилиндром крышку и сообщающиеся с одной стороны с внутренней полостью рабочего цилиндра через отверстие в его цилиндрической стенке под крышкой, а с другой с патрубком ПВС. В этих каналах вне камеры сгорания размещены клапаны 2 и 3.
Коллектор включен в контур ПВС, его входная часть 40 трубопроводом 46 сообщена с выходом ПВС из теплообменника 42, а выходная часть 41 сообщается патрубком 47 с входным каналом 44 рабочего цилиндра. К выходному каналу 45 подсоединен трубопровод ПВС 48 от входа в теплообменник 11.
В соответствии с конструктивной схемой на фиг. 6 в рабочем объеме камеры сгорания находится и, следовательно, обогревается часть цилиндрической поверхности рабочего цилиндра. Клапаны размещены в открытой головке цилиндра. Рекуператор 50 выполнен в виде теплообменника-термокомпрессора, разделенного на отдельные секции 52 обратными клапанами 53. Каждая секция представляет собой пучок труб с плоскими коллекторами 54, обратные клапаны установлены на стыке коллекторов. Трубки могут иметь ребра. Клапан 2 рабочего цилиндра выполняет роль последнего обратного клапана в линии ПВС. Рекуператор 50 работает по противоточной схеме. Целесообразно все теплообменники устанавливать по схеме противотока, но в случае термокомпрессора она обязательна, т.к. дает возрастающие по ходу потока рабочего тела температуру и давление его по секциям. (Для упрощения на фиг. 6 рекуператор 51 показан как прямоточный).
На фиг. 7 и 8 показана наиболее простая и рациональная конструкция термокомпрессора (теплообменник типа "труба в трубе"). В корпусе 55, изолированном покрытием 56, установлена внутренняя труба 57, собранная из отдельных участков (секций) с обратными клапанами между ними. Труба 57 имеет хорошо развитую поверхность теплообмена, например продольные прямые ребра 58.
Двигатель, реализующий заявленный способ, работает следующим образом.
При ходе поршня компрессорного цилиндра 4 вверх клапаны 5 и 6 закрыты, происходит сжатие воздуха (до давления порядка 5-10 МПа, максимум до 15 МПа, с учетом уровня давлений в двигателях внешнего сгорания). Выделяемое в процессе сжатия воздуха тепло поглощается непосредственно в цилиндре водой в пористых вставках 7.
Клапаны обоих цилиндров приводятся от кулачков распределительного вала, связанного с выходным валом двигателя. Их работа синхронизирована.
При подходе поршня к ВМТ клапан 6 открывается и насыщенная ПВС под давлением подается по трубопроводу 18 в первый теплообменник 11. Там она нагревается за счет теплообмена с отработавшей ПВС из рабочего цилиндра 1 (первая ступень нагрева). Далее ПВС поступает во второй теплообменник 12 (вторая ступень), где происходит окончательный ее нагрев продуктами сгорания. Этот теплообменник размещен непосредственно в камере сгорания 8 с изоляцией 9, причем в рабочем объеме камеры находится и часть поверхности корпуса расширителя, которая также омывается и обогревается продуктами сгорания. Таким образом осуществляется одновременный нагрев ПВС и внешний подвод тепла к горячей полости непосредственно от продуктов сгорания. Теплообменники 11 и 12 могут быть выполнены трубчатыми или в виде термокомпрессора. Из теплообменника 12 нагретая ПВС по трубопроводу 22 поступает к клапану 2 впуска и в момент его открытия начинает поступать под давлением в рабочий цилиндр. Расширяющаяся ПВС перемещает поршень к НМТ - происходит рабочий ход.
Следующий такт - ход поршня рабочего цилиндра от НМТ к ВМТ. Отработавшая ПВС удаляется через открытый клапан 3 выпуска по трубопроводу 19 в первый теплообменник 11, отдает там тепло холодной ПВС из компрессорного цилиндра 4 (первая ступень охлаждения) и оттуда направляется по трубопроводу 20 в третий теплообменник 13 (вторая ступень охлаждения). Здесь она охлаждается холодным наружным воздухом, нагнетаемым дутьевым вентилятором 34 по трубопроводу 23.
Охлажденная ПВС из теплообменника 13 по трубопроводу 21 поступает в Х-К 15, например, радиаторного типа (третья ступень охлаждения). В нем происходит окончательное охлаждение отрабатываемой ПВС до конденсации водяного пара (до или несколько ниже точки росы).
Выпавший конденсат отделяется конденсатоотводчиком, собирается в водосборник и, пройдя фильтр 16, откачивается насосом 17 высокого давления по трубопроводу 29 к пористым вставкам 7 цилиндра 4. Осушенный воздух из Х-К 15 поступает в трубопровод 26, соединенный с патрубком 33 трехходового крана 30. С помощью заслонки 31 всасывающую линию цилиндра 4 через патрубок 32 соединяют с атмосферным воздухом либо через патрубок 33 с трубопроводом 26 от Х-К 15. Таким образом, возможна работа машины в открытом контуре с всасыванием в каждом цикле новой порции воздуха либо в замкнутом, когда в контуре циркулирует одно и то же количество рабочего тела.
Дутьевой воздух после третьего теплообменника 13 (первая ступень нагрева воздуха) поступает на вторую ступень - в четвертый теплообменник 14, в котором он получает тепло от отходящих продуктов сгорания. Далее горячий воздух по трубопроводу 24 направляется к горелочному устройству 10.
Продукты сгорания в камере сгорания 8 отдают тепло ПВС (в теплообменнике 12) и в рабочем цилиндре 1. Отсюда они следуют в теплообменник 14 по трубопроводу 27 и далее в атмосферу через трубопровод 28 (выхлопную трубу).
Работа двигателя по схеме на фиг. 2 осуществляется аналогично.
Этот двигатель позволяет сохранить известную хорошо отработанную конструкцию двигателя Стирлинга в части компоновки и исполнения камеры сгорания нагревателя, воздухоподогревателя без увеличения габаритов. Незначительное усложнение касается установки клапанов и выполнения цилиндра 1 с боковыми продольными каналами. Размещение клапанов обеспечивает удобство их обслуживания, контроля и, если необходимо, охлаждения.
Отличие в работе двигателя по схеме, показанной на фиг. 6, заключается в наличии термокомпрессора.
Принцип действия термокомпрессора состоит в том, что при работе в циклическом режиме по схеме противотока происходит нагрев порций воздуха в герметичных секциях при постоянном объеме, а система обратных клапанов обеспечивает при срабатывании впускного клапана автоматический переток ПВС через секции и подачу ПВС в цилиндр. При этом прямо пропорционально абсолютной температуре растет давление в секциях и обеспечивается дополнительное сжатие ПВС.
В обеих схемах теплообменники попарно сблокированы с общим одним из двух теплоносителей. В схеме на фиг. 2 - второй 12 и четвертый 14 в камере сгорания, первый 11 и пятый 42, образующие рекуператор 49. В схеме на фиг. 6 - первый 11 и второй 12, третий 13 и четвертый 14, образующие соответственно рекуператоры 50 и 51.
Предлагаемая схема обеспечивает большую глубину утилизации тепла: двухступенчатый нагрев ПВС и воздуха, двухступенчатое охлаждение ПВС (в схеме на фиг. 2 - трехступенчатый нагрев ПВС), а также компактность, удобство и простоту размещения при минимальном количестве и протяженности коммуникаций. Число теплообменников (поверхности нагрева) определяют из условия оптимума - степени рекуперации тепла и размеров и стоимости устройства. При этом температура ПВС перед Х-К должна быть в пределах 150-210оС.
Пористые вставки (испаритель) могут быть выполнены, например, из металлической резины, применяемой в виброизоляторах, или из прессованных металлических мелкоячеистых сеток. Они вмонтированы в ниши, выполненные на внутренних стенках компрессорного цилиндра. Наиболее эффективное размещение - в крышке цилиндра, находящейся постоянно в контакте с газом. В этом отношении схема на фиг. 6, где крышка цилиндра свободна от клапанов, предпочтительнее. Вода к вставкам поступает через сверления в корпусе цилиндра от высоконапорной системы подачи конденсата.
Конденсат подается постоянно и пропитывает весь объем пористого слоя. Его подача регулируется так, что при работе в цилиндре образуется насыщенный пар.
Во всех случаях предусматривается применение замкнутого водяного контура, т.е. оборотного цикла: охлаждение отработавшей ПВС до конденсации, сбор и возврат конденсата в контур - подача его по трубопроводу высокого давления к пористым вставкам. Чтобы получить непрерывную циркуляцию воды в конденсаторе в случае ПВС достаточно охладить ее до температуры конденсации (40-60оС), что вполне достижимо при обычном воздушном охлаждении.
Эффективность предлагаемых способа работы и двигателя связана с совершенствованием его тепловой работы, улучшением теплоиспользования и обусловлена прежде всего двумя факторами: "внутренним" охлаждением холодной полости и дополнительным сжатием ПВС путем термокомпрессии; в условиях закрытого цикла на двухкомпонентном рабочем теле - ПВС и глубокой утилизации.
Наиболее рациональная область применения - крупные стационарные установки, например энергетические (привод электрогенераторов, мощные силовые двигатели, например судовые) и т.п. Наилучшие условия работы - в долговременном стационарном режиме с незначительными колебаниями параметров. Повышенные требования связаны с эксплуатацией термокомпрессора. По мере освоения и совершенствования устройства и работы этого узла пределы применения, возможности и режимы работы предлагаемого двигателя будут расширяться.
Сущность изобретения: двигатель содержит рабочий цилиндр (Ц) 1 и компрессорный Ц 4. Привод механизма газораспределения осуществляется от выходного вала двигателя. В компрессорном Ц 4 изотермически сжимается рабочее тело (РТ). Одновременно РТ насыщается парами воды. Вода поступает через поры испарителя 7. Сжатое РТ нагревается в теплообменнике (Т) 11, далее в Т 12 (нагревателе) и поступает в рабочий Ц 1. После расширения РТ отдает тепло в Т 11, затем в Т 13. В холодильнике-конденсаторе 15 происходит охлаждение РТ до точки росы. Осушенное РТ и конденсат воды поступают в Ц 4. Цикл повторяется. Т 11 и 12 могут быть выполнены в виде термокомпрессора. 2 с. и 5 з. п.ф-лы, 8 ил.
| Способ работы поршневого двигателя внутреннего сгорания | 1983 |
|
SU1174581A1 |
| Аппарат для очищения воды при помощи химических реактивов | 1917 |
|
SU2A1 |
