СПОСОБ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ С ВНЕШНИМ ПОДВОДОМ ТЕПЛА И ДВИГАТЕЛЬ С ВНЕШНИМ ПОДВОДОМ ТЕПЛА Российский патент 1995 года по МПК F02G1/04 

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для двигателей, работающих по циклу Стирлинга.

Из уровня техники известны двигатели с внешним подводом тепла, работающие по циклу Стирлинга с периодическим расширением и сжатием рабочего тела за счет его нагрева и охлаждения при циркуляции по контуру, включающему горячую и холодную полости вытеснения, нагреватель, регенератор, охладитель (Двигатель Стирлинга./Под ред. М.Г. Круглова. М. Машиностроение, 1977; Ридер Г. Хупер Ч. Двигатели Стирлинга. М. Мир, 1986; авт. св. СССР N 566011, кл. F 02 G 1/04, 1977; авт. св. СССР N 850884, кл. F 02 G 1/04, 1981; авт. св. СССР N 1048149, кл. F 02 С 1/00, 1983; авт. св. СССР N 1343069, кл. F 02 G 1/04, 1987; патент США N 4367625, кл. 60-517, 1983; патент США N 4520628, кл. F 01 К 23/06, 1985).

Кроме того известны различные конструкции двигателей, реализующих цикл Стирлинга, которые содержат по меньшей мере один цилиндр, поршни, разделяющие объем цилиндра на горячую и холодную полости, нагреватель, регенератор, охладитель и систему трубопроводов, обеспечивающую циркуляцию рабочего тела по различным контурам. Известные технические решения характеризуются непрерывностью движения рабочего тела в полостях цилиндра и одновременной работой теплообменников: нагревателя, регенератора и охладителя, вследствие чего рабочее тело полностью не покидает горячие и холодные зоны (полости) и регенератор, что приводит к образованию в них "мертвых объемов" и не позволяет в полной мере реализовать возможности цикла Стирлинга.

Наиболее близким к изобретению по совокупности признаков, как с точки зрения способа работы, так и конструкции двигателя с внешним подводом тепла, является техническое решение, способ которого характеризуется тем, что включает периодическое расширение и сжатие газообразного рабочего тела за счет его нагрева и охлаждения при циркуляции по контуру, образованному путем последовательного подключения полостей вытеснения рабочей камеры к нагревателю и охладителю через систему теплообменников. Такое решение приводит к уменьшению "мертвого объема" теплообменных полостей, но не исключает его.

Двигатель с внешним подводом теплоты, реализующий известный способ работы, содержит цилиндр, в котором расположен поршень с приводом, теплообменники (нагреватель, охладитель, регенератор), систему газораспределения и перекачивающее устройство. При этом упомянутые элементы образуют внутренний контур, по которому рабочее тело прокачивается с помощью перекачивающего устройства, нагреваясь и охлаждаясь в теплообменниках и совершая работу при расширении в рабочей полости цилиндра, и внешний контур, обеспечивающий поочередное подключение горячей и холодной полости вытеснения внутреннего контура к соответствующим устройствам для нагрева и охлаждения рабочего тела двигателя через систему регенераторов, что приводит к уменьшению "мертвого объема" полостей двигателя и повышению его мощности, но характеризуется сложной конструкцией с большим количеством теплообменных аппаратов.

Цель изобретения повышение мощностных характеристик двигателя с внешним подводом тепла путем оптимизации продолжительности рабочих процессов и производительности перекачивающего устройства.

Цель достигается тем, что в способе работы двигателя с внешним подводом тепла путем периодического расширения и сжатия газообразного рабочего тела за счет его нагрева и охлаждения, включающий циркуляцию рабочего тела посредством перекачивающего устройства по контурам, образованным путем поочередного подключения рабочей камеры к нагревателю, регенератору и охладителю, причем в процессе сжатия рабочее тело циркулирует по контуру охладитель рабочая камера перекачивающее устройство охладитель, в процессе регенеративного нагрева по контуру регенератор рабочая камера перекачивающее устройство регенератор, в процессе расширения по контуру нагреватель-рабочая камера перекачивающее устройство нагреватель, в процессе регенеративного охлаждения по контуру рабочая камера перекачивающее устройство регенератор рабочая камера. Циркуляцию рабочего тела осуществляют многократно в течение цикла со скоростью, пропорциональной скорости движения поршня, при этом продолжительность процессов расширения и сжатия превышает продолжительность процессов регенеративного нагрева и охлаждения.

При этом в двигателе с внешним подводом тепла для реализации предлагаемого способа, содержащем по меньшей мере один цилиндр, поршень с приводом, отделяющий в цилиндре рабочую камеру, соединенную с перекачивающим устройством, нагреватель, охладитель и регенератор, подключенные параллельно к рабочей камере и перекачивающему устройству посредством клапанной системы газораспределения с возможностью их поочередного включения в контур циркуляции. Производительность перекачивающего устройства обеспечивает возможность многократной циркуляции рабочего тела по контуру в течение цикла, фазы газораспределения обеспечивают превышение продолжительности процессов расширения и сжатия над продолжительностью процессов регенеративного нагрева и охлаждения. При этом привод поршня снабжен блоком управления, который связан с системой газораспределения и перекачивающим устройством, а последнее выполнено выносным.

При реализации предлагаемого технического решения полость рабочей камеры в разных фазах процесса сообщается только с одним теплообменником, подключаемым в контур циркуляции посредством системы газораспределения, что существенно снижает "мертвый объем" двигателя и повышает его КПД при достаточно простом конструктивном выполнении системы теплообменников. Выносное перекачивающее устройство обеспечивает эффективную циркуляцию рабочего тела по контуру со скоростью, пропорциональной скорости движения поршня, за счет наличия блока управления. При этом в процессах расширения и сжатия, продолжительность которых превышает продолжительность процессов регенеративного нагрева и охлаждения, рабочее тело по замкнутому контуру неоднократно проходит через полость рабочей камеры и соответствующий теплообменник, обеспечивая эффективную передачу тепла, что позволяет приблизиться к теоретическому циклу Стирлинга.

На чертеже представлен общий вид двигателя с внешним подводом тепла.

Двигатель содержит цилиндр 1, внутри которого расположен поршень 2, отделяющий в цилиндре 1 рабочую камеру 3, выносное перекачивающее устройство 4, систему 5 газораспределения, нагреватель 6 (Н), регенератор 7 (Р) и охладитель 8 (О).

Двигатель снабжен блоком 9 управления (БУ), который связан с приводом 10 поршня 2, приводом 11 выносного перекачивающего устройства 4 и с системой 5 газораспределения, и синхронизирует их работу.

Двигатель с внешним подводом тепла работает следующим образом.

В процессе сжатия при движении поршня 2 от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке рабочее тело посредством перекачивающего устройства 4 многократно циркулирует по контуру: охладитель 8 рабочая камера 3 перекачивающее устройство 4 охладитель 8, совершая при этом несколько кругооборотов, благодаря чему сжатие производится практически при постоянной температуре.

При приближении поршня 2 к верхней мертвой точке блок 9 управления выдает сигнал, по которому система 5 газораспределения отключает охладитель 8 и подключает регенератор 7, обеспечивая процесс регенеративного нагрева. При этом рабочее тело циркулирует по контуру: регенератор 7 рабочая камера 3 переключающее устройство 4 регенератор 7, и нагревается отбирая от регенератора 7 запасенное тепло. После прохождения поршнем 2 верхней мертвой точки блок 9 управления выдает сигнал на отключение регенератора 7 и подключение нагревателя 6 в контур циркуляции.

В процессе расширения при движении поршня 2 от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке рабочее тепло, совершая работу, многократно циркулирует по контуру: нагреватель 6 рабочая камера 3 перекачивающее устройство 4 нагреватель 6, делая при этом несколько кругооборотов, благодаря чему тепло подводится практически при постоянной температуре.

При приближении поршня 2 к нижней мертвой точке блок 9 управления выдает сигнал, по которому система 5 газораспределения отключает нагреватель 6 и подключает регенератор 7, обеспечивая процесс регенеративного охлаждения. При этом рабочее тело циркулирует по контуру: рабочая камера 3 перекачивающее устройство 4 регенератор 7 рабочая камера 3, и охлаждается, проходя через регенератор 7 в направлении, противоположном направлению при процессе регенеративного нагрева, отдавая ему тепло. После прохождения поршнем 2 нижней мертвой точки блок 9 управления выдает сигнал на отключение регенератора 7 и подключение охладителя 8 в контур циркуляции. Процесс регенеративного охлаждения заканчивается, начинается процесс сжатия и рабочий цикл двигателя повторяется.

В процессе работы двигателя блок 9 управления синхронизирует работу выносного перекачивающего устройства 4, воздействуя на привод 11 и систему 5 газораспределения, управляя открытием и закрытием клапанов, обеспечивающих своевременное подключение в контур циркуляции соответствующих теплообменников (нагревателя 6, охладителя 8 или регенератора 7) в зависимости от скорости движения и положения поршня 2.

При этом продолжительность и скорость циркуляции рабочего тела в процессах расширения и сжатия за счет выбора производительности перекачивающего устройства, обеспечивающей многократную циркуляцию, значительно больше, чем в процессах регенеративного нагрева и охлаждения, что позволяет реализовать рабочий цикл двигателя с внешним подводом тепла близкий к теоретическому циклу Стирлинга.

Использование: двигателестроение. Сущность изобретения: двигатель содержит рабочую камеру с одной полостью, которая сообщена с внешним перекачивающим устройством, нагреватель, охладитель и регенератор. Привод поршня связан с блоком управления, который синхронизирует работу перекачивающего устройства и системы газораспределения, обеспечивая последовательное подключение в замкнутый контур циркуляции, включающий рабочую камеру и перекачивающее устройство, нагреватель, регенератор, охладитель, регенератор. При этом продолжительность и скорость циркуляции рабочего тела в процессах расширения (нагрева) и сжатия (охлаждения) значительно больше, чем в процессах регенеративного нагрева и охлаждения, что позволяет реализовать рабочий цикл, близкий к теоретическому циклу Стирлинга. 2 с. п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ работы двигателя с внешним подводом тепла путем периодического расширения и сжатия газообразного рабочего тела за счет его нагрева и охлаждения, включающий циркуляцию рабочего тела посредством перекачивающего устройства по контурам, образованным путем поочередного подключения рабочей камеры к нагревателю, регенератору и охладителю, причем в процессе сжатия рабочее тело циркулирует по контуру охладитель рабочая камера - перекачивающее устройство охладитель, в процессе регенеративного нагрева по контуру регенератор рабочая камера перекачивающее устройство - регенератор, в процессе расширения по контуру нагреватель рабочая камера - перекачивающее устройство нагреватель, в процессе регенеративного охлаждения по контуру рабочая камера перекачивающее устройство регенератор рабочая камера, отличающийся тем, что циркуляцию рабочего тела осуществляют многократно в течение цикла со скоростью, пропорциональной скорости движения поршня, при этом продолжительность процессов расширения и сжатия превышает продолжительность процессов регенеративного нагрева и охлаждения. 2. Двигатель с внешним подводом тепла, содержащий по меньшей мере один цилиндр, поршень с приводом, отделяющий в цилиндре рабочую камеру, соединенную с перекачивающим устройством, нагреватель, охладитель и регенератор, подключенные параллельно к рабочей камере и перекачивающему устройству посредством клапанной системы газораспределения с возможностью их поочередного включения в контур циркуляции, отличающийся тем, что производительность перекачивающего устройства обеспечивает возможность многократной циркуляции рабочего тела по контуру в течение цикла, фазы газораспределения обеспечивают превышение продолжительности процессов расширения и сжатия над продолжительностью процессов регенеративного нагрева и охлаждения, при этом привод поршня снабжен блоком управления, который связан с системой газораспределеления и перекачивающим устройством, а последнее выполнено выносным.