СПОСОБ РАБОТЫ СВОБОДНОПОРШНЕВОЙ ТЕПЛОВОЙ МАШИНЫ Российский патент 1995 года по МПК F02G1/04 

Изобретение относится к двигателестроению и холодильной технике и может быть использовано в двигателях с внешним подводом теплоты, а также в теплонасосных установках.

Известен способ работы свободнопоршневой тепловой машины путем сжатия рабочего тела в полости сжатия, вытеснения рабочего тела из полости сжатия в полость расширения, расширения рабочего тела в полости расширения и вытеснение рабочего тела из полости расширения в полость сжатия. Вытеснение рабочего тела из одной полости в другую производят через теплообменники, а взаимные перемещения поршней, соответствующие термодинамическому циклу, происходят вследствие их взаимодействия с рабочим телом.

Недостатком данного способа является то, что силы взаимодействия поршней с рабочим телом создают за счет разности площади горячей и холодной поверхностей вытеснителя. При этом для обеспечения высокой удельной мощности и частоты необходим выстеснитель с большой массой, из-за чего приходится создавать дополнительные упругие связи высокой жесткости между вытеснителем и цилиндром или между вытеснителем и рабочим поршнем, что приводит к дополнительным потерям и снижению КПД.

Целью изобретения является повышение эффективных показателей свободнопоршневой машины.

Поставленная цель согласно изобретению достигается способом работы свободнопоршневой тепловой машины путем сжатия рабочего тела в полости сжатия, вытеснения сжатого рабочего тела из полости сжатия в полость расширения, расширения рабочего тела в полости расширения и вытеснения рабочего тела из полости расширения в полость сжатия, причем вытеснение рабочего тела из одной полости в другую производят по меньшей мере через один теплообменник, в котором в процессах сжатия и расширения полости сжатия и расширения отсоединяют друг от друга, при этом по меньшей мере полость расширения отсоединяют от всех теплообменников. Кроме того, в процессах сжатия и расширения обе полости отсоединяют от всех теплообменников, а подсоединение полостей производят последовательно во времени.

На фиг. 1 изображена схема двигателя с отсоединением полости сжатия от полости расширения; на фиг. 2 схема теплового насоса с отсоединением полости сжатия от полости расширения и отсоединением одного теплообменника от обеих полостей; на фиг. 3 схема двигателя с отсоединением полости сжатия от полости расширения и отсоединением всех теплообменников от обеих полостей.

Способ осуществляется следующим образом.

В начале процесса сжатия рабочий поршень 1 и вытеснитель 2 находятся вблизи н.м.т. Давление в полости расширения 3 и полости сжатия 4 ниже, чем в буферной полости 5. Управляемый клапан 6 закрыт и таким образом полости сжатия и расширения отсоединены друг от друга.

Так как давление в буферной полости 5 выше давления в полости сжатия 4, а полость сжатия 4 отсоединена от полости расширения 3, рабочий поршень 1 и вытеснитель 2 перемещаются вверх. Происходит сжатие рабочего тела. Относительная скорость перемещения поршней определяется соотношением объемов полости расширения 3 и полости сжатия 4 с подключенными к ней теплообменниками 7, 8 и 9, соответственно подводящим, регенерирующим и отводящим тепловую энергию. Это обусловлено тем, что вытеснитель 2 всегда занимает положение, при котором перепад давлений в полости расширения 3 и полости сжатия 4 минимален. При этом скорость вытеснителя 2 всегда меньше скорости рабочего поршня 1. Давление в полости сжатия 4 увеличивается и становится больше давления в буферной полости 5. Далее рабочий поршень 1 перемещается по инерции, продолжая сжимать рабочее тело. При этом скорость его уменьшается. В конце процесса сжатия открывается управляемый клапан 6 и вытеснитель 2 начинает перемещаться независимо от рабочего поршня 1. Сила, тормозящая его, определяется только сопротивлением переходу рабочего тела через теплообменники и значительно меньше силы, тормозящей рабочий поршень 1. В связи с этим скорость вытеснителя 2 становится выше скорости рабочего поршня 1 и рабочее тело вытесняется из полости сжатия 4 в полость расширения 3, получая тепло в теплообменниках 7 и 8 и повышая давление над рабочим поршнем 1. Рабочий поршень 1 останавливается и начинает перемещаться вниз. В это время клапан 6 закрывается. Давление в полости расширения 3 становится ниже, чем в полости сжатия 4, и вытеснитель 2 тоже начинает перемещаться вниз. При этом сила, вызывающая ускорение вытеснителя, определяется всей площадью его поверхности и может быть большой даже при небольшом перепаде давлений.

В процессе расширения скорость перемещения вытеснителя определяется так же, как и в процессе сжатия.

После того как давление над рабочим поршнем становится меньше, чем давление в буферной полости 5, рабочий поршень 1 продолжает перемещаться по инерции, а скорость его уменьшается. В конце процесса расширения открывается клапан 6 и вытеснитель 2 начинает догонять рабочий поршень 1. Рабочее тело вытесняется из полости расширения 3 в полость сжатия 4, проходя через теплообменники и охлаждаясь. Давление над рабочим поршнем падает, и он начинает перемещаться вверх. В это время вытеснитель 2 подходит к рабочему поршню 1, а клапан 6 закрывается и цикл повторяется.

Так как силы, которые преодолевает вытеснитель, определяются только сопротивлением в теплообменниках, его масса может быть небольшой, а следовательно и перепад давлений, необходимый для его ускорения, также может быть незначительным, что снижает потери и повышает КПД. При этом цикл может быть реализован с высокой частотой.

Смещение фаз перемещения поршней определяется клапаном 6 и может быть регулируемым.

В описанной схеме ход вытеснителя всегда меньше хода рабочего поршня.

Увеличить ход вытеснителя можно путем изменения соотношений объемов полостей перед началом процесса вытеснения рабочего тела из одной полости в другую. Это можно осуществить с помощью теплообменников, которые отключаются от полостей во время сжатия и расширения рабочего тела. При этом подключение полостей к такому теплообменнику должно осуществляться последовательно во времени. При реализации данного способа в режиме теплового насоса рабочий поршень 1 перемещается от привода (не показан), клапаны 6, 10 и 11 во время сжатия и расширения закрыты, а давление в теплообменнике 7, подводящем тепловую энергию, равно давлению в начале процесса сжатия. В этом случае в процессе расширения из-за отвода теплоты после сжатия давление в цикле снижается до давления в теплообменнике 7, когда рабочий поршень 1 еще не дошел до н.м.т. В этот момент открывается клапан 10 и дальнейшее перемещение рабочего поршня происходит практически при постоянном давлении, так как рабочее тело переходит из теплообменника 7 в полость сжатия 4. Из-за того что к полости сжатия 4 подключается большой объем, скорость вытеснителя 2 почти сравнивается со скоростью рабочего поршня. В дальнейшем открывается клапан 11 и рабочее тело вытесняется из полости расширения 3 в полость сжатия 4. При этом температура рабочего тела повышается, вследствие чего та часть рабочего тела, которая перешла из теплообменника 7 в полость сжатия 4, возвращается в этот теплообменник.

Процессы сжатия и вытеснения рабочего тела из полости сжатия 4 в полость расширения 3 происходят аналогично этим процессам в предыдущей схеме за исключением того, что теплообменник 7 при этом отключен.

Отключать также можно два или три теплообменника. При отключении трех теплообменников регенератор делают рекуперативного типа.

В этом случае при работе в режиме двигателя давление в теплообменнике 7 равно давлению в начале расширения и выше давления в конце сжатия, а давление в теплообменнике 9 равно давлению в начале сжатия и ниже давления в конце расширения.

В связи с этим в конце сжатия после открытия клапана 12 давление в полости расширения 3 увеличивается за счет перехода в нее части рабочего тела из теплообменников 7 и 8. Под действием возникшего перепада давления вытеснитель 2 получает дополнительное ускорение. После того как давление в полости сжатия 4 также достигает давления в теплообменнике 7, клапан 13 открывается и рабочее тело вытесняется из полости сжатия 4 в полость расширения 3 с подводом теплоты в теплообменниках 7 и 8. При этом часть рабочего тела возвращается в эти теплообменники.

В конце расширения после открытия клапана 14 давление в полости расширения 3 падает до давления в теплообменнике 9. Вытеснитель 2 получает дополнительное ускорение. После того как давление в полости сжатия 4 сравнивается с давлением в теплообменике 9, открывается клапан 15 и рабочее тело вытесняется из полости расширения 3 в полость сжатия 4 с отводом теплоты в теплообмениках 8 и 9, а часть газа, перешедшая в теплообменники, возвращается в полость двигателя.

Данная схема позволяет увеличить ход вытеснителя и сделать его больше хода рабочего поршня.

Таким образом, при реализации способа снижаются потери и повышаются эффективные показатели свободнопоршневых тепловых машин, причем за счет повышения степени сжатия при отсоединении теплообменников высокий КПД может быть достигнут без регенератора.

Использование: двигателестроение, холодильная техника, теплонасосные установки. Сущность изобретения: в процессах сжатия и расширения свободнопоршневой тепловой машины Стирлинга полости сжатия и расширения отсоединяют друг от друга и частично или полностью от всех теплообменников. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. СПОСОБ РАБОТЫ СВОБОДНОПОРШНЕВОЙ ТЕПЛОВОЙ МАШИНЫ путем сжатия рабочего тела в полости сжатия, вытеснения сжатого рабочего тела из полости сжатия в полость расширения, расширения рабочего тела в полости расширения и вытеснения рабочего тела из полости расширения в полость сжатия, причем вытеснение рабочего тела из одной полости в другую производят по меньшей мере через один теплообменник, отличающийся тем, что в процессах сжатия и расширения полости сжатия и расширения отсоединяют одну от другой, при этом по меньшей мере полость расширения отсоединяют от всех теплообменников. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в процессах сжатия и расширения обе полости отсоединяют от всех теплообменников, а подсоединение полостей производят последовательно во времени.